0 引言

    隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，頻率的需求越來(lái)越高，帶寬也越來(lái)越寬，使得傳統(tǒng)的窄帶系統(tǒng)已經(jīng)無(wú)法滿足大流量數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨螅虼藢拵o(wú)線通信電路設(shè)計(jì)成為研究熱點(diǎn)。2002年2月14日，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）正式立法開(kāi)放3.1～10.6 GHz頻段給UWB系統(tǒng)作免執(zhí)照使用。UWB技術(shù)具有發(fā)射功率較低、占空比低和抗干擾等特點(diǎn)，被應(yīng)用在無(wú)線電話會(huì)議、無(wú)線短距離數(shù)據(jù)傳送等諸多領(lǐng)域^[1-2]。然而在FCC開(kāi)放的頻譜中來(lái)自授權(quán)頻帶WLAN的信號(hào)對(duì)免執(zhí)照使用的頻段UWB存在很強(qiáng)的干擾。UWB信號(hào)是微弱信號(hào)(頻譜密度為-41.3 dBm/MHz)，可比擬噪聲甚至比一些噪聲的頻譜密度更低，所以UWB信號(hào)不會(huì)對(duì)WLAN信號(hào)產(chǎn)生明顯的影響^[3]。考慮到這兩種無(wú)線局域網(wǎng)的使用區(qū)域出現(xiàn)交疊，致使UWB信號(hào)在5～6 GHz頻段內(nèi)完全被WLAN信號(hào)所淹沒(méi)的情況，許多文獻(xiàn)都進(jìn)行了深入的研究。文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了一個(gè)帶阻濾波器來(lái)濾除WLAN信號(hào)，然而這種方法不僅要求整個(gè)通頻帶平坦度要好，濾波器在截止頻率處的衰減響應(yīng)更加陡峭，而且濾波后產(chǎn)生極大損耗和相移。同樣使用多個(gè)LNA累疊的方式^[4]，來(lái)放大各自頻段的UWB信號(hào)，這種方法不但增加了設(shè)計(jì)的工作量而且增加了成本。文獻(xiàn)[5]則是設(shè)計(jì)了多諧振負(fù)載網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)頻帶的選擇性，在整個(gè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了對(duì)WLAN信號(hào)的屏蔽。

    對(duì)此，本文也采用這種實(shí)時(shí)放大與選擇的工作方式，對(duì)多諧振負(fù)載網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行更深入的研究與設(shè)計(jì)，提出更加優(yōu)良的多諧振負(fù)載網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)于各文獻(xiàn)的頻帶選擇性。鑒于此，設(shè)計(jì)一種具有頻帶自主選擇性的超寬帶放大器^[6-7]，使之既能屏蔽來(lái)自授權(quán)頻帶信號(hào)的干擾，又能同時(shí)放大UWB下邊帶(3.1～5 GHz)及上邊帶(6～10.6 GHz)的信號(hào)，成為本文研究的重點(diǎn)，而能實(shí)現(xiàn)這種頻帶選擇性的多諧振負(fù)載網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)更是本文工作的重要核心。

1 電路設(shè)計(jì)

    整個(gè)電路的設(shè)計(jì)主要包括具有頻帶選擇性的多諧振負(fù)載網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和放大器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。

1.1 具有頻帶選擇性的多諧振負(fù)載網(wǎng)絡(luò)

    本文通過(guò)對(duì)諧振特性的研究，設(shè)計(jì)了一種全新的具有頻帶選擇性的多諧振負(fù)載網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖2所示，它能更好地屏蔽來(lái)自授權(quán)頻帶信號(hào)的干擾，又能通過(guò)UWB下邊帶和上邊帶信號(hào)。

    圖1（a）、圖1（b）和圖1（c）分別展示了3種多諧振網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這3種網(wǎng)絡(luò)均可實(shí)現(xiàn)頻帶選擇性。其中圖1(a)是文獻(xiàn)[5]提出的結(jié)構(gòu)，兩電容和兩電感簡(jiǎn)潔而有效地實(shí)現(xiàn)了寬頻帶上的選擇特性；圖1(b)是文獻(xiàn)[8]提出的雙串聯(lián)雙并聯(lián)結(jié)構(gòu)，引入調(diào)諧電容C2作為網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化元件，降低了多諧振網(wǎng)絡(luò)對(duì)高電感值的依賴，提升了多諧振網(wǎng)絡(luò)頻帶選擇性能。圖1(c)是本文所提出的結(jié)構(gòu)，引入調(diào)諧電容C₁的雙串聯(lián)雙并聯(lián)結(jié)構(gòu)，不僅提升了頻帶選擇性能，而且更加強(qiáng)了對(duì)WLAN信號(hào)的屏蔽作用。

    當(dāng)頻率從低到高時(shí)，受到電感扼流作用的影響，阻抗值是不斷增加的。根據(jù)多諧振網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，多諧振負(fù)載網(wǎng)絡(luò)總的阻抗為：

從式(1)可以看出，多諧振負(fù)載阻抗的分子項(xiàng)由角頻率的偶次項(xiàng)組成，分母由奇次諧波分量構(gòu)成。由于工作在吉赫茲頻段，為了能對(duì)信號(hào)產(chǎn)生調(diào)諧作用，電感和電容的量級(jí)確定為納亨級(jí)和皮法級(jí)。由此可知：

    由于諧波分量次數(shù)越高其值越小，所以Z_total的分子值大于分母值，當(dāng)且僅當(dāng)f=5.5 GHz即為有約束條件的極值點(diǎn)：

    當(dāng)頻率為5 GHz和6 GHz處，阻抗值為10logZ_total=0 dB的間斷點(diǎn)，此時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)衰減特征。由此可知：

假設(shè)當(dāng)C₂=C₃時(shí)，可得Z_{total，5 GHz}=Z_{total，6 GHz}。工作在最高頻點(diǎn)10.6 GHz處，最大允許的負(fù)載網(wǎng)絡(luò)的損耗為3 dB，即是：

可推導(dǎo)得C₂<2/(2π×10.6×10⁹)=30 pF。

    通過(guò)仿真軟件MATLAB進(jìn)行編程仿真，C₂初始值設(shè)定為30 pF。通過(guò)不斷降低C₂的值進(jìn)行迭代運(yùn)算，當(dāng)C₂=1.82 fF時(shí)，可得到本文提出的多諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的最佳選擇特性，這時(shí)L₁=0.355 nH，L₂=0.25 nH，C₁=0.55 pF，C₃=3.001 pF。

1.2 放大器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    超寬帶低噪聲放大器是UWB無(wú)線接收機(jī)中的一個(gè)重要的模塊，它必須在很寬的頻帶范圍里提供足夠高的增益和引入盡可能小的噪聲，因此選擇一個(gè)良好的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)其性能要求是很重要的^[9]。

    電感源極負(fù)反饋結(jié)構(gòu)其實(shí)采用的是共源極的放大電路，它是低噪聲放大器很常用的一種電路^[10]。本文采用電感源極負(fù)反饋的共源共柵結(jié)構(gòu)，同時(shí)引入電流復(fù)用結(jié)構(gòu)，構(gòu)建出完整的頻帶選擇性的超寬帶放大電路，如圖2所示。在M₁源極引入一串聯(lián)電感，此電感在較高品質(zhì)因數(shù)下幾乎不引入噪聲。在工作頻率內(nèi)，加載在M1柵極的電感與MOS管的等效電路中的輸入回路中的電容恰好形成諧振，可實(shí)現(xiàn)輸入阻抗匹配。由于兩個(gè)晶體管M₁和M₂在同一條偏置電路上，電流的功耗即為原來(lái)的一半，因?yàn)楦哳l信號(hào)首先全部從晶體管M₁的柵極流入，從晶體管M₁的漏極流出時(shí)分為兩路，一路經(jīng)過(guò)電容C₆再流入晶體管M₂，再最終從晶體管M₂的漏極流出，另外一路高頻信號(hào)經(jīng)過(guò)電感L₄和電容C₇到地。

2 仿真結(jié)果分析

    基于ADS仿真平臺(tái)，將多諧振網(wǎng)絡(luò)搭載到ADS軟件下，調(diào)用S參數(shù)仿真器，在超寬頻段內(nèi)對(duì)幅頻、相頻以及網(wǎng)絡(luò)特性上作出仿真，結(jié)果如圖3所示。點(diǎn)線代表圖1(a)提出的電路結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)虛線表示圖1(b)電路結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)實(shí)線表示圖1(c)電路結(jié)構(gòu)。圖3(a)展示出本文提出的多諧振網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)，干擾信號(hào)的衰減性強(qiáng)，上下邊頻擁有非常平坦的導(dǎo)通特性。圖3(b)展示了多諧振網(wǎng)絡(luò)的相位特性，本文提出的結(jié)構(gòu)在WLAN信號(hào)的中心頻率點(diǎn)5.5 GHz處的相頻特性相差達(dá)到了89.725°，較之圖1(a)和圖1(b)多諧振網(wǎng)絡(luò)能更好地使來(lái)自WLAN的干擾信號(hào)發(fā)生正交化，干擾信號(hào)就很容易被后續(xù)的相位鑒頻器檢查出來(lái)，從而更好地實(shí)現(xiàn)相頻上的選擇特性。圖3(c)表現(xiàn)了多諧振網(wǎng)絡(luò)的群延時(shí)特性，上下邊頻群延時(shí)都保持在同一數(shù)量級(jí)上，而在WLAN頻帶里則產(chǎn)生高量級(jí)的延遲，體現(xiàn)了頻帶選擇網(wǎng)絡(luò)對(duì)載波包絡(luò)良好的選擇性。

    基于0.18 μm CMOS工藝?yán)肁DS仿真軟件對(duì)整個(gè)頻帶選擇性的低噪聲放大電路進(jìn)行仿真，其結(jié)果如圖4所示。其圖4(a)顯示了放大器的放大性能，也很好地反映出多諧振網(wǎng)絡(luò)對(duì)無(wú)用信號(hào)的選頻能力。上下通頻帶內(nèi)，放大電路的增益超過(guò)10 dB，并對(duì)無(wú)用信號(hào)的幅度衰減也達(dá)到-20 dB。圖4(b)為電路最小噪聲系數(shù)隨頻率的變化關(guān)系，可以看出電路噪聲性能良好，最小噪聲系數(shù)小于4.25 dB。

    由表1中的參考數(shù)據(jù)可以說(shuō)明：由于采用了無(wú)源LC輸入匹配網(wǎng)絡(luò)和電流復(fù)用結(jié)構(gòu)，本電路的結(jié)構(gòu)與參考文獻(xiàn)相比較在其他性能參數(shù)略有缺憾的條件下具有工作帶寬大、增益大、噪聲較低、功耗較低的優(yōu)點(diǎn)。

3 結(jié)論

    本文論述了一種具有頻帶選擇性的超寬帶低噪聲放大器的設(shè)計(jì)，提出新的多諧振負(fù)載選頻網(wǎng)絡(luò)以及引入電感源極負(fù)反饋的放大電路結(jié)構(gòu)，最終使得放大電路在噪聲和功率傳輸下都獲得了良好的性能。仿真結(jié)果表明：在3.1 GHz～10.6 GHz頻帶內(nèi)，穩(wěn)定性良好，S11小于-10 dB，最大功率傳輸增益為20.23 dB，最小噪聲系數(shù)在4.25 dB以下。同時(shí)與其他文獻(xiàn)結(jié)果比較，該結(jié)構(gòu)具有工作帶寬大、功耗較低、面積省、增益大等優(yōu)點(diǎn)，具有應(yīng)用價(jià)值。

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