0 引言

    低噪聲放大器(LNA)位于接收機的前端，是無線通信系統(tǒng)射頻接收機關鍵的單元模塊,。隨著無線通信不斷快速發(fā)展,，行業(yè)應用對射頻接收機的噪聲性能要求日益提高^[1]。現有北斗用戶接收機前端為接收S頻段信號,，利用1 GHz～3 GHz射頻晶體管的低噪放設計方案^[2],，在滿足功率增益情況下，實際測試噪聲性能在1.5 dB～1.7 dB之間,，相比最優(yōu)噪聲性能還有提高的可行性,。

    本文研究基于可高帶寬傳輸的毫米波射頻晶體管ABS655進行低噪放設計，通過改善偏置電路的靜態(tài)工作點,，采用線性穩(wěn)壓電路來減小電源噪聲干擾,，并利用L-C匹配網絡實現端口阻抗匹配，以及利用北斗聲表濾波器進行選頻從而穩(wěn)定電路參數,，減輕雜訊信號干擾,。通過軟件仿真和實際測試,，結果顯示該方案能在寬頻帶下實現增益Gain>30 dB，噪聲系數NF<1.3 dB,，IIP3>15 dBm,，顯著優(yōu)化了北斗三號衛(wèi)星導航接收機前端的指標設計要求，具有廣闊的應用前景,。

1 系統(tǒng)要求和設計方案

    我國北斗有源定位衛(wèi)星系統(tǒng)(RDSS)和短報文通信主要應用于S頻段內,，北斗三號衛(wèi)星信號到達地面時，最小功率電平為-163 dBW,，最大信號帶寬為20.46 MHz,，信號中心頻率為2 491.75 MHz。為捕獲北斗三號主要信號,，要求低噪聲放大器工作帶寬大,，工作頻率為2 492 MHz，帶內增益要求達到30 dB以上,，噪聲系數小于1.3 dB,，[email protected] GHz>15 dBm，輸入輸出駐波比小于1.5 dB,。

    本次設計中采用的NPN寬帶硅鍺射頻晶體管ABS655,，毫米波管芯覆蓋0～12 GHz，高增益,、低噪聲,、線性度好，可用于高速,、低噪聲應用^[3],。單級放大器在2.492 GHz頻點上最高增益達25 dB，最小噪聲可達0.4 dB,，但仍未達到設計要求,。故方案采用兩級級聯(lián)結構，第一級與第二級之間采用共軛匹配,，利用L-C網絡耦合方式,，可有效增強放大器增益性能。為提高系統(tǒng)靈敏度需盡量減小放大器噪聲系數,。設計利用ADS軟件仿真優(yōu)化^[4],，Altium designer進行版圖設計，最終實際測試,。低噪放系統(tǒng)結構圖如圖1所示,。

    由系統(tǒng)結構圖可知，為做頻率選擇，反射干擾頻率信號,，在第一級輸入匹配網絡前采用TDK高通濾波器DEA162300HT,，控制2.3 GHz以上頻率插損<0.4 dB，基本抑制2.3 GHz頻段以下信號,，保留北斗信號主頻段^[5],。并在級間及第二級輸出匹配網絡后采用北斗帶通濾波器NDF9200，在2 487 MHz～2 497 MHz之間最大插損僅為3 dB,，進一步降低干擾,。

2 低噪聲放大器電路設計與仿真

2.1 靜態(tài)工作點測試及偏置電路設計

    利用寬帶硅鍺射頻晶體管ABS655的直流特性，通過查閱芯片手冊可以得到最小噪聲系數曲線圖和增益曲線圖,，如圖2,、圖3所示。

    放大器靜態(tài)工作點的合理設置是實現其交流性能的前提,。通過芯片手冊看出,，在V_CE=2 V，I_C=5 mA,，f=2.492 GHz的條件下,，增益最大達25 dB，噪聲系數為0.5 dB,。根據KVL原則得到關系如式(1),、式(2)所示：

    根據實際寄生參數的影響，調整確定R₁=R₂=100 Ω,，R_B=75 kΩ,，最后確定偏置電路如圖4所示。此外,，電路增加TPS79301低壓降線性穩(wěn)壓器,，其噪聲低,，電源電壓抑制比（PSRR）高,，能有效減少外部電源帶給電路的干擾，且在一定程度上保護電源不受射頻信號的反向傷害,。設置電源電壓3.6 V,，提供給低噪放電路電壓為3 V，實際壓降0.6 V,，如圖5所示,。

2.2 穩(wěn)定性分析

    穩(wěn)定性是指放大器在外界環(huán)境和電路條件發(fā)生變化時，維持穩(wěn)定工作的能力,。在確定低噪放工作頻率和偏置電路設計后,，需在相應頻帶內保持穩(wěn)定才能正常工作。放大器的穩(wěn)定性分為絕對穩(wěn)定和相對穩(wěn)定,。絕對穩(wěn)定又稱無源穩(wěn)定,，是指在選定的工作頻率和偏置條件下,，放大器在整個Smith圓圖內始終處于穩(wěn)定狀態(tài)。將放大器視為一個兩端口網絡,，該網絡由S參量及外部終端條件下Γ_L和Γ_S確定,。穩(wěn)定性意味著反射系數的模小于1。如式(3)～式(5)所示：

    此時放大器是無條件穩(wěn)定的,。若不滿足,，則會產生自激振蕩現象。

    為達到絕對穩(wěn)定狀態(tài),，高頻率下可采用在輸出端串聯(lián)或并聯(lián)小電阻的方法來增加穩(wěn)定性,。為減小S₁₂帶來的正反饋，故在發(fā)射極與地之間串聯(lián)小電感,，以引進負反饋網絡^[6-7],。在ADS軟件中對電路進行仿真得到穩(wěn)定性參數圖如圖6所示，結果顯示在0 GHz～14 GHz頻段下K>1,，放大器均保持絕對穩(wěn)定,。在實際的放大器測試過程中，利用微帶線代替電感,，通過網絡分析儀對放大器的穩(wěn)定因子K進行測試,，結果表明在空載時電路已達到絕對穩(wěn)定狀態(tài)。

2.3 匹配電路設計分析

    匹配電路網絡分輸入匹配,、級間匹配和輸出匹配三部分,。其中輸入匹配采用最佳源反射系數噪聲匹配以得到最小噪聲^[8]。輸入電路采用雙元件的L形匹配網絡,，其可以有效降低回波損耗,，并提高增益和頻帶內的穩(wěn)定性^[9]。仿真電路中加上微帶線模擬實際電路通道,，以進一步為實際調試匹配提供根據,。為實現匹配網絡在2.492 GHz頻點上實現良好匹配，調整匹配網絡的頻率響應,根據有載品質因素QL的公式(8)所示：

    其量值等于諧振頻率f₀與3 dB帶寬BW的比值,。通過QL與BW關系可以調節(jié)頻率響應^[10],，然而BW往往在設計初便已被規(guī)定，故調節(jié)Q_L數值對頻率響應產生較大影響,。實際中Q_L可以根據最大節(jié)點品質因數Qn來估算,。故為增加Q值的可調范圍，調整電路帶寬特性,，在輸入匹配網絡中引入元件L₂,，增加一個節(jié)點并適當選擇該節(jié)點上的阻抗來控制Q_L值。L₂在偏置輸入電路上防止交流信號對電源損害，也對輸入端匹配的最佳噪聲點分布產生一定影響,。而電感Q值大小會顯著影響輸入端電路損耗和噪聲表現,，高電感Q值可減小輸入噪聲，從而影響整個電路的總噪聲^[11],。故在選用電感型號時,，選用Murata LQG高頻電感，保證Q值盡量大,。匹配網絡兩端的微帶線均采用50 Ω特性阻抗,，根據匹配過程微帶線長度有所變化。電路如圖7所示,。

    根據匹配電路設計原理,，通過Smith圓圖設計出最佳噪聲系數圓圖^[12-13]，圖8,、圖9分別是匹配前噪聲系數圓和最佳噪聲系數圓,，由圖9可見，噪聲系數圓圓心m9已與Smith圓圖圓心重合,，達到了最佳的匹配點,，而增益圓圓心m10并未達到最佳增益點，故增益還需要進一步調試,。輸入輸出端S參數仿真結果S₁₁,、S₂₂如圖10、圖11所示,，為在直流2 V/5 mA條件下,，單級放大電路采用ABS655的S參數模型。在輸出通路上,，大電容旁路接地能有效濾波,，其中直流信號和交流信號已被電容和電感相互隔離，相互之間不受影響,。且偏置電路上兩級均增加EMI三端陶瓷濾波電容器,，以進一步將干擾信號濾除，保證電路正常工作,。

    為達到最小噪聲系數,，進行最佳噪聲系數圓匹配,，接入射頻信號帶載調試,，電路處在相對穩(wěn)定的狀態(tài)，一旦出現過度失配現象,，會造成放大器自激振蕩,，導致電路不能正常工作。尤其是第二級輸出端上直流通路上的電感L₈，在實際測試中對匹配點產生顯著的影響,，臨界微小值的改變會造成電感內部的不穩(wěn)定,，外部表現為電感兩端電壓不相同，導致偏置電路電流值發(fā)生變化,，最終使低噪放無法正常工作,。測試表明，當L₈電感值在0 nH～3 nH時匹配前后級網絡,，電路保持穩(wěn)定,，一旦電感值超過3.3 nH，則電路電流值出現異常,，放大器陷入自激振蕩,。綜合考慮后確定L₈值為3 nH，以保持低噪放相對穩(wěn)定正常工作和匹配參數良好,。電路如圖12所示,。

3 測試結果與性能分析

    高頻信號之間會產生電磁干擾和耦合，以及空間中各類信號干擾,，設計不當會導致元器件間相互干擾,，使電路不能正常工作。因此,，本次設計利用Altium designer軟件,，采用一字型布板，使輸入端盡可能遠離輸出端,，減小信號耦合與反饋,。偏置電路的饋電通路與主信號線垂直，避免通路上感性器件之間的互感干擾,。

    低噪放的線性度是放大器在工作時需要考慮的重要因素之一,，在電路分析中通常用三階交調截取點(IP3)衡量線性程度，本次設計仿真結果如圖13所示,。在2.492 GHz頻點上,，IIP3=17.2 dBm，OIP3=31 dBm,，符合設計指標,，實現了高線性度。

    根據版圖設計制作電路,，通過Agilent噪聲系數儀測得噪聲系數NF,。在直流功耗為15 mW，中心頻率為2 492 MHz,，帶寬50 MHz條件下,，噪聲系數NF=1.23 dB,，增益Gain=32.72 dB，經計算輸入輸出駐波比<1.5,，滿足設計要求,。實際測試性能與參考文獻對比如表1所示。 

    由表1可知,，相比于文獻[12]窄帶(8.16 MHz)電路設計,，本文針對寬帶低噪放設計，噪聲系數略有上升,，但能滿足北斗三號導航系統(tǒng)更大帶寬信號接收的要求,；相比于文獻[15]，在同樣寬帶條件下,，本文電路在噪聲性能上具有一定的優(yōu)勢,。

    最終兩級北斗低噪聲放大器的實物效果如圖14所示。經過長期的測試,，各項指標正常,，無自激振蕩現象，符合北斗射頻前端設計要求,，能滿足未來北斗三號衛(wèi)星導航接收機廣闊的工程應用,。

4 結論

    本文基于毫米波管芯，研究一種可應用于北斗三號RDSS的低噪聲放大器,。該方案采用兩級級聯(lián)結構,，在包括前后端多個濾波器插損在內，實測結果表明在2.492 GHz頻點下,，線性度高,，增益大于30 dB，噪聲系數小于1.3 dB,，噪聲性能參數理想,，相較于現有S頻段低噪放設計方案，在各指標上均有明顯的優(yōu)化提升,，可為北斗三號用戶接收機的后續(xù)開發(fā)提供可靠的應用支持,。

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作者信息:

黃仕錦1,，賴松林1，王宇楠2

(1.福州大學 物理與信息工程學院,，福建 福州350108,；

2.中國移動通信集團福建有限公司寧德分公司，福建 寧德352000)