應(yīng)用于接收機(jī)中LNA電路的設(shè)計(jì)與測(cè)試仿真分析

引 言

LNA用于接收機(jī)前端電路，主要用來放大從天線接收到的微弱信號(hào)，降低噪聲干擾，其噪聲指標(biāo)直接影響接收機(jī)的靈敏度，而靈敏度是通信接收機(jī)的關(guān)鍵指標(biāo)之一，所以LNA電路設(shè)計(jì)的優(yōu)略對(duì)于接收機(jī)性能至關(guān)重要，且在商業(yè)應(yīng)用中，數(shù)字通信技術(shù)的發(fā)展對(duì)無線基站用LNA電路提出了更為苛刻的要求。

1 、LNA電路的基本理論

LNA電路的主要技術(shù)指標(biāo)有噪聲系數(shù)（FN）、增益、工作頻帶、輸入／輸出駐波比和增益平坦度等，其中FN和增益對(duì)接收機(jī)性能的影響較大。

設(shè)計(jì)LNA電路時(shí)，在保證電路絕對(duì)穩(wěn)定，避免產(chǎn)生自激振蕩的情況下，盡量降低放大器的FN。對(duì)于絕對(duì)穩(wěn)定的晶體管，可以按照最佳噪聲匹配得到最低的FN；對(duì)于條件穩(wěn)定的晶體管，要優(yōu)先考慮穩(wěn)定性因素。完成匹配后的放大器，要對(duì)穩(wěn)定因子進(jìn)行測(cè)試，在全頻段內(nèi)，要求穩(wěn)定性因子μ。

為保證低噪聲性能，通過電抗濾波器提供偏置電壓或電流，而不用電阻偏置電路，以避免將電源噪聲和偏置電阻的熱噪聲引入到射頻通道。

另外，良好的阻抗匹配設(shè)計(jì)能夠提高電路傳輸能量，提高系統(tǒng)增益，改善駐波特性，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性，降低噪聲等，在設(shè)計(jì)LNA電路時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同的性能需求選擇不同的匹配方式。

2 、LNA電路的設(shè)計(jì)

2．1 器件的選擇和級(jí)數(shù)的確定

設(shè)計(jì)LNA電路，首先要選擇FN小的放大管。從目前的種類和應(yīng)用來看，Si和SiGe類低噪聲晶體管的FN要高一些，好的可做到0．7 dB左右，F(xiàn)N稍高的為砷化鎵材料器件，F(xiàn)N最低的為增強(qiáng)型PHEMT（E-PHEMT）器件。本設(shè)計(jì)選用Agilent的ATF-54143，該放大管為E-PHEMT器件，此類器件具有較優(yōu)的射頻特性。

本文的LNA電路要求實(shí)現(xiàn)增益（30±1）dB，F(xiàn)N《1 dB，輸入／輸出的駐波小于1．5，OIP3》30 dBm，采用兩級(jí)LNA電路級(jí)聯(lián)構(gòu)成。為了保證LNA電路端口駐波、放大器的穩(wěn)定性和足夠大的增益，前級(jí)電路采用平衡式結(jié)構(gòu)，后級(jí)電路主要考慮端口駐波、線性和穩(wěn)定性。LNA電路結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，射頻信號(hào)從耦合器1腳輸入，功率平均分配到2腳和3腳，但是3腳的射頻信號(hào)相位比2腳相位滯后90 °。如果上下兩路LNA性能以及單板布局完全相同，那么兩路LNA的反射系數(shù)也完全相同，且下支路的輸入反射波相位仍然比上支路的輸入反射波相位滯后 90°，即假設(shè)上支路的反射波相位為0°，則下支路反射波的相位為-90°。兩路反射波經(jīng)過3 dB耦合器到達(dá)1腳，上支路的反射波相位為θ°（假設(shè)1腳輸入口和2腳耦合口之間的相移為θ°），下支路的反射波到達(dá)1腳后，相位變成θ-90°-90° =θ-180°，因此兩路反射波在1腳完全抵消，從而保證Input輸入駐波非常小。

同理可以分析輸出端耦合器1腳輸出駐波性能非常好，且輸入／輸出的反射波都消耗在兩個(gè)50 Ω電阻上。采用平衡式LNA的最大好處是可以保證LNA單管在最佳噪聲匹配的前提下獲得非常優(yōu)良的駐波性能。

2．2 器件的穩(wěn)定性

S參數(shù)仿真表明，ATF-54143在低頻和高頻下都容易自激，本設(shè)計(jì)采用在輸入口和輸出口分別加電容（或電感）和電阻串聯(lián)到地的方式，形成低頻端吸收式負(fù)載和高頻端吸收式負(fù)載。穩(wěn)定性改善后的μ穩(wěn)定性因子如圖2所示。

2．3 直流偏置電路的設(shè)計(jì)

直流偏置電路由SIEMENS的BCR400W及外圍器件組成，提供放大管恒定的工作電流，以穩(wěn)定其DC工作點(diǎn)?，F(xiàn)以電流增加時(shí)的閉環(huán)控制過程為例，給出恒流控制電路原理圖如圖3所示。

場(chǎng)效應(yīng)管的漏極電流上升→BCR400W的4腳電位下降→BCR400W內(nèi)部控制三極管Q的截止程度加深→BCR400W的2腳電位偏負(fù)→場(chǎng)效應(yīng)管的柵極電位偏負(fù)→場(chǎng)效應(yīng)管的漏極電流下降。

通過對(duì)ATF-54143的I—V特性和直流仿真，選擇其典型的靜態(tài)工作點(diǎn)Vds=4 V，Ids=60 mA。

2．4 輸入／輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

首先，通過器件模型得到圖4所示的放大器單管在上述偏置條件下輸入／輸出的阻抗特性和最佳噪聲反射系數(shù)TOPT；然后，通過Smith圓圖輔以源、負(fù)載穩(wěn)定判別圓、等增益圓和凡圓等使用集總參數(shù)元件粗略確定匹配網(wǎng)絡(luò)如圖5所示。再用ADS進(jìn)行仿真優(yōu)化，結(jié)合微帶單枝節(jié)等分布參數(shù)元件得到較為精確的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，滿足LNA的性能指標(biāo)，最后確定最終微帶尺寸及選用特定模型的電感電容代替優(yōu)化后的電感電容，前后級(jí)根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)分別匹配。

因?yàn)榛拘阅苤笜?biāo)對(duì)所用各器件的離散性指標(biāo)要求極高，故此LNA的設(shè)計(jì)采用了Murata公司的高精度電感電容進(jìn)行匹配。為了保證良好性能，PCB板材選用Rogers的RO4350。

2．5 仿真結(jié)果

單級(jí)LNA電路仿真原理圖如圖6所示。

在工作頻段內(nèi)進(jìn)行仿真和優(yōu)化，平衡式LNA電路的FN和S參數(shù)如圖7所示。

3、 LNA電路的實(shí)測(cè)結(jié)果

使用Agilent的噪聲分析儀、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、信號(hào)源和頻譜分析儀對(duì)所設(shè)計(jì)的LNA電路制成品進(jìn)行實(shí)測(cè)，結(jié)果如圖8、圖9和表1所示。

4 、結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)的LNA電路具有增益高，F(xiàn)N小，頻帶寬，駐波小，線性好的特點(diǎn)，實(shí)測(cè)與仿真優(yōu)化結(jié)果基本一致，并且由于其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和匹配網(wǎng)絡(luò)固定，可用于WCCA分布式基站多個(gè)頻段，經(jīng)過后續(xù)的WCCA（最壞情況電路分析）分析，更進(jìn)一步驗(yàn)證其滿足電路設(shè)計(jì)規(guī)格的要求。

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