基于GSM的寬帶低噪聲放大器電路設(shè)計(jì)
0 引言
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/260918.htm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(duì)從天線接收的微弱射頻信號(hào)進(jìn)行放大,其噪聲性能和增益對(duì)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(shí)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(jì)要求,一般都采取兼顧的原則。
在國(guó)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(jì)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(jì)仿真及優(yōu)化
1.1 性能指標(biāo)和器件選擇
設(shè)計(jì)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(jì)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(gè)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(hào)S參數(shù)的函數(shù)。在使用ADS工具時(shí),計(jì)算K和B兩個(gè)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(jì)算公式如下:
只要K>l,|B|>0,電路就能穩(wěn)定工作
通過ADS對(duì)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(duì)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(jí)電路的噪聲系數(shù)F和除末級(jí)外的功率增益G有關(guān)。如果射頻系統(tǒng)包括N級(jí)電路,其中第i級(jí)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(jí)的噪聲系數(shù)F1和增益G1對(duì)電路的整體噪聲指標(biāo)影響最大,而LNA恰為系統(tǒng)第一級(jí),因此,它的設(shè)計(jì)非常重要,要求具有足夠小的噪聲系數(shù),盡量高的增益。對(duì)于單級(jí)LNA電路來說,其噪聲系數(shù)可通過下面的式(6)計(jì)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(shí)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(shí),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(jì)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(jì)時(shí),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(jì)
電路結(jié)構(gòu)如圖1所示,設(shè)計(jì)重點(diǎn)是輸入輸出匹配電路??紤]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(shí)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(jì)輸入匹配電路,噪聲系數(shù)最小,但此時(shí)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(jì)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(jì)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(duì)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(dòng)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(jì)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(duì)穩(wěn)定的。
綜上所述,此電路達(dá)到了設(shè)計(jì)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(jì)的低噪聲寬帶放大電路,達(dá)到了設(shè)計(jì)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(jì)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。
評(píng)論