0 引言

      低噪聲放大器(LNA)是無線通信設(shè)備中的關(guān)鍵電路，位于接收設(shè)備的最前端,，對從天線接收的微弱射頻信號進(jìn)行放大,，其噪聲性能和增益對整機(jī)性能有重要影響，因此,，要求該電路在小于要求噪聲指標(biāo)的情況下,，具有盡可能高的增益。一般情況下,，最小噪聲系數(shù)和最大增益是不能同時達(dá)到的,，它們的指標(biāo)主要由輸入匹配電路決定。為了達(dá)到設(shè)計要求，一般都采取兼顧的原則,。

      在國內(nèi)GSM系統(tǒng)中,，工作頻率覆蓋了l710MHz～1990MHz的范圍，如果使用窄帶LNA電路,，只能用于一種體制,，應(yīng)用受到一定限制。本文設(shè)計的寬帶LNA電路,，其工作頻率覆蓋了上述頻率范圍,，使接收機(jī)前端的LNA電路具有很大靈活性。

      1 低噪聲放大電路的設(shè)計仿真及優(yōu)化

      1．1 性能指標(biāo)和器件選擇

      設(shè)計要求工作頻率為1700MHz～2000MHz,，噪聲系數(shù)小于1．8dB,，增益大于13dB，輸入電壓駐波比小于2．0,，輸出電壓駐波比小于3．5,。

      設(shè)計選用AGILENT公司的AT41486管。該器件為通用NPN雙極型硅管,，具有低噪聲,、高增益、頻率特性好等優(yōu)良特性,。模型選用ADS自帶的pb參數(shù)模型,。

      1．2 電路穩(wěn)定性

      電路穩(wěn)定性既是放大電路的一個重要指標(biāo)，又是電路正常工作的先決條件,。電路穩(wěn)定工作是最基本的要求,，而任何射頻電路在某些頻段和某些終端條件下都有產(chǎn)生振蕩的可能性。造成電路不穩(wěn)定的因素很多,，主要有管子的S參數(shù),、輸入輸出匹配電路以及選取的工作點(diǎn)等。穩(wěn)定性度量通常用穩(wěn)定因子K,、B,、△表示，他們是器件小信號S參數(shù)的函數(shù),。在使用ADS工具時,，計算K和B兩個參數(shù)非常方便，因此,，這里用它們來衡量電路的穩(wěn)定性,。計算公式如下：

      只要K>l，|B|>0,，電路就能穩(wěn)定工作

      通過ADS對晶體管AT41486的穩(wěn)定因子進(jìn)行仿真,，結(jié)果如表1所示。

      由表1可見，在1600MHz到2100MHz范圍內(nèi),，都滿足K>1和B>0的要求,，說明晶體管在所工作的頻段是絕對穩(wěn)定的，不需要采取穩(wěn)定措施,。

      1．3 噪聲系數(shù)

      射頻系統(tǒng)的噪聲系數(shù)與每一級電路的噪聲系數(shù)F和除末級外的功率增益G有關(guān),。如果射頻系統(tǒng)包括N級電路，其中第i級的功率增益為Gi,，噪聲系數(shù)為Fi,，則射頻系統(tǒng)的噪聲系數(shù)F可表示為：

      由式(5)可見，第一級的噪聲系數(shù)F1和增益G1對電路的整體噪聲指標(biāo)影響最大,，而LNA恰為系統(tǒng)第一級,，因此，它的設(shè)計非常重要,，要求具有足夠小的噪聲系數(shù),，盡量高的增益。對于單級LNA電路來說,，其噪聲系數(shù)可通過下面的式(6)計算,，

      其中，分別表示晶體管的最小噪聲系數(shù),、獲得最小噪聲系數(shù)時的最佳源反射系數(shù)和晶體管的等效噪聲電阻,，它們均由管子本身的特性決定，其數(shù)值如表2所示,。為輸入端源反射系數(shù),。由式(6)可以看出，當(dāng)時,，放大電路的噪聲系數(shù)F最小,，等于Fmin。

      由于要兼顧放大電路的增益Ggain,，因此,，在滿足噪聲系數(shù)F要求的情況下，實(shí)際匹配可以適當(dāng)偏離,，以取得更大的增益，滿足整體性能指標(biāo),。由表2可以看出,，只要設(shè)計合理，在1700MHz～2000MHz范圍內(nèi)完全可以實(shí)現(xiàn)小于1．8dB的噪聲系數(shù),。設(shè)計時,，輸入匹配初始選，然后再根據(jù)其他指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。

　　1．4 LNA結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計

　　電路結(jié)構(gòu)如圖1所示,，設(shè)計重點(diǎn)是輸入輸出匹配電路,。考慮到工作頻率范圍寬,，因此,，輸入匹配采用微帶雙枝短截線，輸出為微帶單枝短截線,。直流偏置根據(jù)管子的資料,，采用10V電源，工作點(diǎn)設(shè)置為Vce=8．0V,，Ic=10mA,。

　　1．4．1 輸入匹配電路

　　通過仿真得到最佳源反射系數(shù)時的最佳輸入阻抗為11-j*14．2。為了得到最小噪聲系數(shù),，令,，按照該阻抗設(shè)計輸入匹配電路，噪聲系數(shù)最小,，但此時輸入端是失配的,，因此，增益不是最大,，電壓駐波比也不是最小,。

　　設(shè)計選用聚四氟乙烯材料，εr=2．65,，H=0．8mm,，T=35μm。為了實(shí)現(xiàn)寬帶放大,，輸入端采用微帶雙枝短截線,。利用計算工具可得到符合要求的輸入匹配電路如圖2所示。

1．4．2 輸出匹配電路

　　使用同樣的方法可以得到輸出阻抗為78．05-j*42．65,。輸出使用微帶單枝短截線,，以實(shí)現(xiàn)共軛匹配。仿真得到的單枝短截線為W1=W2=-W3=2．188mm,，L4=29．33mm,，L5=15．62mm。

　　1．5 仿真結(jié)果及分析

　　圖3為完整電路原理圖,。通過ADS對其反復(fù)優(yōu)化,，其結(jié)果如圖4、5和表3,、4所示,。

　(1)從圖4可以看出,，電路在1700MHz～2000MHz頻率范圍內(nèi)增益大于13dB，其中最大增益點(diǎn)在1800MHz位置,，為13．5dB,，增益波動為0．5-dB，符合性能指標(biāo)要求,。

　　(2)根據(jù)圖5的噪聲系數(shù)曲線,，在工作頻段內(nèi)，最大噪聲系數(shù)在2000MHz處,，為1．799dB,，小于1．8dB的目標(biāo)。

　　(3)由表3可見,，輸入電壓反射系數(shù)VSWRl小于2．0,，輸出電壓反射系數(shù)VSWR2在1750MHz以下超過2．5，不大于3．0,，符合設(shè)計要求,。

　　(4)表4顯示，在要求頻段內(nèi)滿足K>1和B>0的要求,，說明電路是絕對穩(wěn)定的,。

　　綜上所述，此電路達(dá)到了設(shè)計要求,。

　　2 結(jié)束語

　　從以上結(jié)果可以看出,，利用ADS軟件，采用pb模型設(shè)計的低噪聲寬帶放大電路,，達(dá)到了設(shè)計要求,，可用于GSM基站前端，比以往的LNA具有更寬的工作帶寬,，增益和噪聲系數(shù)不低于其他產(chǎn)品,，具有重要的實(shí)際意義和應(yīng)用前景。由于射頻電路設(shè)計的復(fù)雜性和要求的精確性,，電路性能指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)受多種因素制約,，需要反復(fù)調(diào)整和優(yōu)化。