基于通訊模組射頻性能提升的研究

錢自進(jìn)

四川省綿陽市安州區(qū)花垓工業(yè)園 四川 綿陽 621000

1 低噪聲放大器回路(LNA)分析

我們知道，系統(tǒng)接收靈敏度的計(jì)算公式如下:

由上式可見，在各種特定(帶寬、解調(diào)S/N已定)的無線通訊系統(tǒng)中，能有效提高靈敏度的關(guān)鍵因素就是降低接收機(jī)的噪聲系數(shù)NF，而決定接收機(jī)的噪聲系數(shù)的關(guān)鍵部件就是處于接收機(jī)最前端的低噪聲放大器。低噪聲放大器的主要作用是放大天線從空中接收到的微弱信號(hào)，降低噪聲干擾，以供系統(tǒng)解調(diào)出所需的信息數(shù)據(jù)，所以低噪聲放大器的設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)接收機(jī)來說是至關(guān)重要的。

LNA作為通訊模組的信號(hào)輸入端，其性能的好壞直接影響整個(gè)通訊模組的性能。直接同LNA密切相關(guān)的性能指標(biāo)例如噪聲系數(shù)(NF)、放大器增益(G)、輸入輸出的駐波比(VSWR)、放大器的動(dòng)態(tài)范圍(IIP3)等。

1)、噪聲系數(shù)(NF):噪聲系數(shù)的定義為放大器輸入信噪比與輸出信噪比的比值，即:

對(duì)于單擊放大器而言，其噪聲系數(shù)的計(jì)算為:

其中Fmin為晶體管最小噪聲系數(shù)，是由放大器的管子本身決定的，Γopt、Rn和Γs分別為獲得Fmin時(shí)的最佳源反射系數(shù)、晶體管等效噪聲電阻、以及晶體管輸入端的源反射系數(shù)。

對(duì)多級(jí)放大器而言，其噪聲系數(shù)的計(jì)算為:

其中NFn為第n級(jí)放大器的噪聲系數(shù)，Gn為第n級(jí)放大器的增益。

而通訊模組來為多級(jí)放大器系統(tǒng)，G1為L(zhǎng)NA的放大器增益，由上面的公式可知，在G1遠(yuǎn)大于1的情況下，通訊模組的噪聲系數(shù)NF可以等效為NF1即LNA回路的噪聲系數(shù)。

2)、放大器增益(G):放大器的增益定義為放大器輸出功率與輸入功率的比值:

從式(4)中可見，提高低噪聲放大器的增益對(duì)降低整機(jī)的噪聲系數(shù)非常有利，但低噪聲放大器的增益過高會(huì)影響整個(gè)接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。所以，一般來說低噪聲放大器的增益確定應(yīng)與系統(tǒng)的整機(jī)噪聲系數(shù)、接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍等結(jié)合起來考慮。

3)、輸入輸出的輸入反射損耗或駐波比(VSWR):

低噪聲放大器的輸入輸出駐波比表征了其輸入輸出回路的匹配情況，我們?cè)谠O(shè)計(jì)低噪聲放大器的匹配電路時(shí)，輸入匹配網(wǎng)絡(luò)一般為獲得最小噪聲而設(shè)計(jì)為接近最佳噪聲匹配網(wǎng)絡(luò)而不是最佳功率匹配網(wǎng)絡(luò)，而輸出匹配網(wǎng)絡(luò)一般是為獲得最大功率和最低駐波比而設(shè)計(jì)，所以，低噪聲放大器的輸入端總是存在某種失配。這種失配在某些情況下會(huì)使系統(tǒng)不穩(wěn)定，一般情況下，為了減小放大器輸入端失配所引起的端口反射對(duì)系統(tǒng)的影響，可用插損很小的隔離器等其他措施來解決。

4)、反射系數(shù)(Г):

由式(3)可知，當(dāng)Γs=Γopt時(shí)，放大器的噪聲系數(shù)最小，NF=NFmin，但此時(shí)從功率傳輸?shù)慕嵌葋砜?，輸入端是失配的，所以放大器的功率增益?huì)降低，但有些時(shí)候?yàn)榱双@得最小噪聲，適當(dāng)?shù)臓奚恍┰鲆嬉驳驮肼暦糯笃髟O(shè)計(jì)中經(jīng)常采用的一種辦法。

5)、放大器的動(dòng)態(tài)范圍(IIP3):

在低噪聲放大器的設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮整個(gè)接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍，以免在接收機(jī)后級(jí)造成嚴(yán)重的非線性失真，一般應(yīng)選擇低噪聲放大器的輸入三階交調(diào)點(diǎn)IIP3較高一點(diǎn)，至少比最大輸入信號(hào)高30d B，以免大信號(hào)輸入時(shí)產(chǎn)生非線性失真。

除以上各項(xiàng)外，低噪聲放大器的工作頻率、工作帶寬及通帶內(nèi)的增益平坦度等指標(biāo)也很重要，設(shè)計(jì)時(shí)要認(rèn)真考慮。

2 結(jié)論

通訊模組的性能提升關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)，涉及到很多射頻方面的知識(shí)，我僅從LNA回路方面進(jìn)行分析研究，結(jié)合最近開發(fā)通訊模組遇到的問題和解決問題中積累的經(jīng)驗(yàn)談?wù)剛€(gè)人的一點(diǎn)看法，可能會(huì)存到某些不足和片面，希望這些能對(duì)以后我們通訊模組的產(chǎn)品設(shè)計(jì)有些參考作用。