低噪声放大器_LNA_的网络匹配设计方法研究

1、2007.1 www.ChinaECD.netElectronic Component &Device ApplicationsVol.9No.1Jan.2007第9卷第1期2007 年1月图1微波低噪声放大器网络0引言无线接入射频电路大多应用在小型设备和便携式电子产品中,用于实现设备之间的无线连接和信息交换。低噪声放大器(low-noise amplifier ,简称LNA是射频接收机前端的主要组成部分。低噪声微波晶体管放大器主要是在宇宙通讯、雷达、电子对抗、遥测遥控、射电天文、大地绘测、微波通信、电视以及各种高精度微波测量系统中实现对微弱信号的放大。它主要有下面四个特点。首先,它位于接受机

2、的最前端,这就要求它的噪声系数越小越好,同时,为了抑制后面各级噪声对系统的影响,还要求有一定的增益,但是为使后面的混频器不过载,并产生非线性失真,它的增益又不能太大,因此要求低噪声放大器在工作的频段是稳定的。其次,因为它接受的信号是微弱的,所以低噪声放大器必定是一个小信号线性放大器,又由于受传输路径的影响,信号的强弱是变化的,在接受信号时有可能伴随着许多强干扰进入,因此要求放大器有足够的线性范围,而且增益是可调的。第三,低噪声放大器一般是通过传输线直接和天线或天线滤波器相连,放大器必须与它们有良好的匹配,以达到功率最大传输和具有最小噪声系数,并且保证滤波器的性能。第四,应具有选频功能,可抑制带

3、外和镜象频率干扰,因此它一定是频带放大器。综上所述,晶体管微波放大器的基本要求是低噪声系数、足够的增益、工作稳定可靠、足够的带宽和较大的动态范围等。本文给出了一种应用Ansoft 公司的Designer 软件包进行LNA 输入和输出设计的方法。1LNA 的组成低噪声放大器基本由放大器件(微波晶体管、输入匹配网络、输出匹配网络组成。匹配网络由微线和分支调节器以及波长阻抗变换器组成。图1为微波低噪声放大器网络的基本组成。其中,a 1、b 1和a 2、b 2是放大器输入端和输出端的归一化入射波和反射波;Z S 是经输入匹配网低噪声放大器(LNA的网络匹配设计方法研究吴国增1,杨颖2(1.重庆邮电大学

4、,重庆400065;2.聊城东昌府区检察院,山东聊城250014摘要:研究分析了低噪声放大器的设计方法,介绍了低噪声放大器的特点,同时还介绍了低噪声放大器的网络组成和性能指标。给出了应用一种网络匹配法设计的低噪声放大器,并对电路进行了S 参数和NF 的仿真,并采用Asoft 公司的Designer 软件包通过模拟集成电路国家重点实验室双极晶体管模型进行了设计分析。结果证明:这种应用Smith Tool 工具设计网络匹配电路具有方便快捷的优点,可符合工业基本要求。关键词:低噪声放大器;Smith 圆;噪声系数;Designer收稿日期:2006-08-2764www.ChinaECD.net 2

5、007.1Vol.9No.1Jan.2007第9卷第1期2007年1月络向信号源看去的阻抗;Z L 是经输出匹配网络向负载看去的阻抗;Z 1是放大器输出端接Z L 时的输入阻抗;Z 2是放大器输入接Z S 时输出阻抗;放大器器件的S 矩阵为:S=S 11S 12S 21S 22!(1放大器的S 参量方程为:b 1b 2!=S 11S 12S 21S 22!a 1a 2!(2S 21表示增益,较大的增益有助于减小后级电路噪声的影响,但会引起线性度恶化;S 11和S 22分别表示输入输出匹配,它们决定输入输出端射频滤波器的频响;S 12表示反向隔离的程度好坏。设放大器的两端参考阻抗为Z 0,则Z

6、S 、Z L 、Z 1和Z 2可用参考阻抗Z 0的匹配程度相应的反射系数S 、L 、1和2来表示。分别为:L =Z L -Z 0Z L +Z 0;S =Z S -Z 0Z S +Z 0;1=Z 1-Z 0Z 1+Z 0;2=Z 2-Z 0Z 2+Z 02LNA 性能指标分析2.1噪声系数噪声系数是指放大器的输入信噪比和输出信噪比的比值根据噪声级联公式有:F n =F 1+F 1-1G 1+F 2-1G 1G 2+K (3式中,F n 为n 级放大器的噪声系数,G n 为第n 级放大器的增益。第一级放大器的噪声性能对整个放大器的性能起决定性的作用,该放大器必须能在宽频带内实现噪声匹配。单级放大器

7、的噪声系数计算公式为:F=F min +4R nS -out21-S2#$1-opt2(4式中,F m in 为晶体管的最小噪声系数,是由放大器管子本身决定的;opt 、S 和R n 分别为获得最佳反射系数、晶体管输入端源反射系数和晶体管的等噪声电阻。由于放大器的噪声系数与信号源的阻抗有关,因而与负载无关。一个晶体管,当它的源端所接信号源的阻抗等于它所求的最佳源阻抗时,由该晶体管构成的放大器的噪声系数最小。又因为第一级噪声系数具有决定性作用,所以第一级放大器必须实现最佳噪声源阻抗设计。2.2增益放大器的增益首先与管子的跨导有关,跨导直接由工作点的电流决定;其次,放大器的增益还与负载有关。低噪声

8、放大器是频带放大器,它的选频功能由负载决定。LNA 的负载一般有两种形式,一是采用调谐的LC 回路作负载,并将下级混频器的输入电容并入回路电容,构成频带放大,既可选频也可提高增益;二是LNA 后面接集中选频滤波器,则LNA 可以做成宽带的,选频功能由滤波器完成。这些滤波器为了便于使用,其输入、输出电阻都为50!或一些标准的特定数值。LNA 输出端必须与滤波器相配,以保证滤波器的众多特性,如插入损耗、带内波动以及带外衰减等。但是由于负载阻抗太小,增益不易太高,此时LNA 可以采用两级放大。我们从接收机特点知道低噪声放大器的增益最好是可控制的。在通信电路中,控制增益的方法一般是改变放大器的工作点、

9、改变放大器的负反馈量、改变放大器谐振回路的Q 值等,这些改变都可通过载波电平检测电路产生自动增益控制电压来实现。2.3线性度采用差动输入方式,输入信号线性范围比单管大。输出电流是两个管子输出电流之差,可以抵消放大器非线性失真偶次谐波,进一步扩大了放大器的线性范围。线性范围主要由三阶互调截点P 3和1dB 压缩点来度量。讨论放大器的线性范围要考虑三个问题:一是线性范围和器件有 关,场效应管由于有平方律特性,因此它的线性比双极好;二是和电路有关;三是输入端的阻抗匹配网络也会影响到放大器的线性范围。常见的几种匹配方式如图2所示。3具体方法和电路实现笔者应用单双极管作为放大器的核心器件来图2LNA 几

10、种匹配方式技术前沿652007.1 www.ChinaECD.net Electronic Component &Device ApplicationsVol.9No.1Jan.2007第9卷第1期2007年1月进行网络匹配方式设计。本文中采用Asoft 公司的Designer 软件包通过模拟集成电路国家重点实验室双极晶体管模型进行了设计分析。通过Designer 软件包Smith tool 双极管对0.50.7GHz 稳定圆进行判断的示意图如图3所示。通过图3可知,输入输出是稳定在0.50.7GHz 。此处取中心频率为0.6GHz 。当输出和输入不稳定时,要根据具体的情况来改变放大器的结构。

11、应用Designer 软件包Smith tool 来设计电路的输入输出匹配的方法首先是运行软件,以打开相应的设计环境。然后通过画出等噪声圆和等增益圆的方法使增益18.5dB 和噪声4dB 相切,这样,其次点就是输入匹配点。图4给出了用Smith tool 设计输出输入匹配网络的过程图。4结束语虽然设计软件种类多样,但实质上它们设计的基本思想和理论是一样的。所以,要想较好地完成低噪声放大器的设计,必须对它的性能参数有深入的理解,再把实际的器件转换成物理模型,然后和计算机上的数据模型联系到一块,即可以达到准确无误的匹配,从而顺利完成设计。参考文献1陈邦媛.射频通信电路M.北京:科学出版社,2003:158-196.2向宏平,杜惠平.CDMA 射频前端低噪声放大器电路设计和研究J.微电子学,2004,34(4:432-434.3王勤.X 波段低噪声放大器的设计J.低温与超导,2005,33(2: