0 引言

    低噪聲放大器(LNA)位于接收機(jī)的前端，是無線通信系統(tǒng)射頻接收機(jī)關(guān)鍵的單元模塊。隨著無線通信不斷快速發(fā)展，行業(yè)應(yīng)用對(duì)射頻接收機(jī)的噪聲性能要求日益提高^[1]。現(xiàn)有北斗用戶接收機(jī)前端為接收S頻段信號(hào)，利用1 GHz～3 GHz射頻晶體管的低噪放設(shè)計(jì)方案^[2]，在滿足功率增益情況下，實(shí)際測(cè)試噪聲性能在1.5 dB～1.7 dB之間，相比最優(yōu)噪聲性能還有提高的可行性。

    本文研究基于可高帶寬傳輸?shù)暮撩撞ㄉ漕l晶體管ABS655進(jìn)行低噪放設(shè)計(jì)，通過改善偏置電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，采用線性穩(wěn)壓電路來減小電源噪聲干擾，并利用L-C匹配網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)端口阻抗匹配，以及利用北斗聲表濾波器進(jìn)行選頻從而穩(wěn)定電路參數(shù)，減輕雜訊信號(hào)干擾。通過軟件仿真和實(shí)際測(cè)試，結(jié)果顯示該方案能在寬頻帶下實(shí)現(xiàn)增益Gain>30 dB，噪聲系數(shù)NF<1.3 dB，IIP3>15 dBm，顯著優(yōu)化了北斗三號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)前端的指標(biāo)設(shè)計(jì)要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)要求和設(shè)計(jì)方案

    我國(guó)北斗有源定位衛(wèi)星系統(tǒng)(RDSS)和短報(bào)文通信主要應(yīng)用于S頻段內(nèi)，北斗三號(hào)衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)地面時(shí)，最小功率電平為-163 dBW，最大信號(hào)帶寬為20.46 MHz，信號(hào)中心頻率為2 491.75 MHz。為捕獲北斗三號(hào)主要信號(hào)，要求低噪聲放大器工作帶寬大，工作頻率為2 492 MHz，帶內(nèi)增益要求達(dá)到30 dB以上，噪聲系數(shù)小于1.3 dB，IIP3@2.49 GHz>15 dBm，輸入輸出駐波比小于1.5 dB。

    本次設(shè)計(jì)中采用的NPN寬帶硅鍺射頻晶體管ABS655，毫米波管芯覆蓋0～12 GHz，高增益、低噪聲、線性度好，可用于高速、低噪聲應(yīng)用^[3]。單級(jí)放大器在2.492 GHz頻點(diǎn)上最高增益達(dá)25 dB，最小噪聲可達(dá)0.4 dB，但仍未達(dá)到設(shè)計(jì)要求。故方案采用兩級(jí)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，第一級(jí)與第二級(jí)之間采用共軛匹配，利用L-C網(wǎng)絡(luò)耦合方式，可有效增強(qiáng)放大器增益性能。為提高系統(tǒng)靈敏度需盡量減小放大器噪聲系數(shù)。設(shè)計(jì)利用ADS軟件仿真優(yōu)化^[4]，Altium designer進(jìn)行版圖設(shè)計(jì)，最終實(shí)際測(cè)試。低噪放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

    由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖可知，為做頻率選擇，反射干擾頻率信號(hào)，在第一級(jí)輸入匹配網(wǎng)絡(luò)前采用TDK高通濾波器DEA162300HT，控制2.3 GHz以上頻率插損<0.4 dB，基本抑制2.3 GHz頻段以下信號(hào)，保留北斗信號(hào)主頻段^[5]。并在級(jí)間及第二級(jí)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)后采用北斗帶通濾波器NDF9200，在2 487 MHz～2 497 MHz之間最大插損僅為3 dB，進(jìn)一步降低干擾。

2 低噪聲放大器電路設(shè)計(jì)與仿真

2.1 靜態(tài)工作點(diǎn)測(cè)試及偏置電路設(shè)計(jì)

    利用寬帶硅鍺射頻晶體管ABS655的直流特性，通過查閱芯片手冊(cè)可以得到最小噪聲系數(shù)曲線圖和增益曲線圖，如圖2、圖3所示。

    放大器靜態(tài)工作點(diǎn)的合理設(shè)置是實(shí)現(xiàn)其交流性能的前提。通過芯片手冊(cè)看出，在V_CE=2 V，I_C=5 mA，f=2.492 GHz的條件下，增益最大達(dá)25 dB，噪聲系數(shù)為0.5 dB。根據(jù)KVL原則得到關(guān)系如式(1)、式(2)所示：

    根據(jù)實(shí)際寄生參數(shù)的影響，調(diào)整確定R₁=R₂=100 Ω，R_B=75 kΩ，最后確定偏置電路如圖4所示。此外，電路增加TPS79301低壓降線性穩(wěn)壓器，其噪聲低，電源電壓抑制比（PSRR）高，能有效減少外部電源帶給電路的干擾，且在一定程度上保護(hù)電源不受射頻信號(hào)的反向傷害。設(shè)置電源電壓3.6 V，提供給低噪放電路電壓為3 V，實(shí)際壓降0.6 V，如圖5所示。

2.2 穩(wěn)定性分析

    穩(wěn)定性是指放大器在外界環(huán)境和電路條件發(fā)生變化時(shí)，維持穩(wěn)定工作的能力。在確定低噪放工作頻率和偏置電路設(shè)計(jì)后，需在相應(yīng)頻帶內(nèi)保持穩(wěn)定才能正常工作。放大器的穩(wěn)定性分為絕對(duì)穩(wěn)定和相對(duì)穩(wěn)定。絕對(duì)穩(wěn)定又稱無源穩(wěn)定，是指在選定的工作頻率和偏置條件下，放大器在整個(gè)Smith圓圖內(nèi)始終處于穩(wěn)定狀態(tài)。將放大器視為一個(gè)兩端口網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)由S參量及外部終端條件下Γ_L和Γ_S確定。穩(wěn)定性意味著反射系數(shù)的模小于1。如式(3)～式(5)所示：

    此時(shí)放大器是無條件穩(wěn)定的。若不滿足，則會(huì)產(chǎn)生自激振蕩現(xiàn)象。

    為達(dá)到絕對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，高頻率下可采用在輸出端串聯(lián)或并聯(lián)小電阻的方法來增加穩(wěn)定性。為減小S₁₂帶來的正反饋，故在發(fā)射極與地之間串聯(lián)小電感，以引進(jìn)負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)^[6-7]。在ADS軟件中對(duì)電路進(jìn)行仿真得到穩(wěn)定性參數(shù)圖如圖6所示，結(jié)果顯示在0 GHz～14 GHz頻段下K>1，放大器均保持絕對(duì)穩(wěn)定。在實(shí)際的放大器測(cè)試過程中，利用微帶線代替電感，通過網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)放大器的穩(wěn)定因子K進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明在空載時(shí)電路已達(dá)到絕對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。

2.3 匹配電路設(shè)計(jì)分析

    匹配電路網(wǎng)絡(luò)分輸入匹配、級(jí)間匹配和輸出匹配三部分。其中輸入匹配采用最佳源反射系數(shù)噪聲匹配以得到最小噪聲^[8]。輸入電路采用雙元件的L形匹配網(wǎng)絡(luò)，其可以有效降低回波損耗，并提高增益和頻帶內(nèi)的穩(wěn)定性^[9]。仿真電路中加上微帶線模擬實(shí)際電路通道，以進(jìn)一步為實(shí)際調(diào)試匹配提供根據(jù)。為實(shí)現(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò)在2.492 GHz頻點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)良好匹配，調(diào)整匹配網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng),根據(jù)有載品質(zhì)因素QL的公式(8)所示：

    其量值等于諧振頻率f₀與3 dB帶寬BW的比值。通過QL與BW關(guān)系可以調(diào)節(jié)頻率響應(yīng)^[10]，然而BW往往在設(shè)計(jì)初便已被規(guī)定，故調(diào)節(jié)Q_L數(shù)值對(duì)頻率響應(yīng)產(chǎn)生較大影響。實(shí)際中Q_L可以根據(jù)最大節(jié)點(diǎn)品質(zhì)因數(shù)Qn來估算。故為增加Q值的可調(diào)范圍，調(diào)整電路帶寬特性，在輸入匹配網(wǎng)絡(luò)中引入元件L₂，增加一個(gè)節(jié)點(diǎn)并適當(dāng)選擇該節(jié)點(diǎn)上的阻抗來控制Q_L值。L₂在偏置輸入電路上防止交流信號(hào)對(duì)電源損害，也對(duì)輸入端匹配的最佳噪聲點(diǎn)分布產(chǎn)生一定影響。而電感Q值大小會(huì)顯著影響輸入端電路損耗和噪聲表現(xiàn)，高電感Q值可減小輸入噪聲，從而影響整個(gè)電路的總噪聲^[11]。故在選用電感型號(hào)時(shí)，選用Murata LQG高頻電感，保證Q值盡量大。匹配網(wǎng)絡(luò)兩端的微帶線均采用50 Ω特性阻抗，根據(jù)匹配過程微帶線長(zhǎng)度有所變化。電路如圖7所示。

    根據(jù)匹配電路設(shè)計(jì)原理，通過Smith圓圖設(shè)計(jì)出最佳噪聲系數(shù)圓圖^[12-13]，圖8、圖9分別是匹配前噪聲系數(shù)圓和最佳噪聲系數(shù)圓，由圖9可見，噪聲系數(shù)圓圓心m9已與Smith圓圖圓心重合，達(dá)到了最佳的匹配點(diǎn)，而增益圓圓心m10并未達(dá)到最佳增益點(diǎn)，故增益還需要進(jìn)一步調(diào)試。輸入輸出端S參數(shù)仿真結(jié)果S₁₁、S₂₂如圖10、圖11所示，為在直流2 V/5 mA條件下，單級(jí)放大電路采用ABS655的S參數(shù)模型。在輸出通路上，大電容旁路接地能有效濾波，其中直流信號(hào)和交流信號(hào)已被電容和電感相互隔離，相互之間不受影響。且偏置電路上兩級(jí)均增加EMI三端陶瓷濾波電容器，以進(jìn)一步將干擾信號(hào)濾除，保證電路正常工作。

    為達(dá)到最小噪聲系數(shù)，進(jìn)行最佳噪聲系數(shù)圓匹配，接入射頻信號(hào)帶載調(diào)試，電路處在相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，一旦出現(xiàn)過度失配現(xiàn)象，會(huì)造成放大器自激振蕩，導(dǎo)致電路不能正常工作。尤其是第二級(jí)輸出端上直流通路上的電感L₈，在實(shí)際測(cè)試中對(duì)匹配點(diǎn)產(chǎn)生顯著的影響，臨界微小值的改變會(huì)造成電感內(nèi)部的不穩(wěn)定，外部表現(xiàn)為電感兩端電壓不相同，導(dǎo)致偏置電路電流值發(fā)生變化，最終使低噪放無法正常工作。測(cè)試表明，當(dāng)L₈電感值在0 nH～3 nH時(shí)匹配前后級(jí)網(wǎng)絡(luò)，電路保持穩(wěn)定，一旦電感值超過3.3 nH，則電路電流值出現(xiàn)異常，放大器陷入自激振蕩。綜合考慮后確定L₈值為3 nH，以保持低噪放相對(duì)穩(wěn)定正常工作和匹配參數(shù)良好。電路如圖12所示。

3 測(cè)試結(jié)果與性能分析

    高頻信號(hào)之間會(huì)產(chǎn)生電磁干擾和耦合，以及空間中各類信號(hào)干擾，設(shè)計(jì)不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致元器件間相互干擾，使電路不能正常工作。因此，本次設(shè)計(jì)利用Altium designer軟件，采用一字型布板，使輸入端盡可能遠(yuǎn)離輸出端，減小信號(hào)耦合與反饋。偏置電路的饋電通路與主信號(hào)線垂直，避免通路上感性器件之間的互感干擾。

    低噪放的線性度是放大器在工作時(shí)需要考慮的重要因素之一，在電路分析中通常用三階交調(diào)截取點(diǎn)(IP3)衡量線性程度，本次設(shè)計(jì)仿真結(jié)果如圖13所示。在2.492 GHz頻點(diǎn)上，IIP3=17.2 dBm，OIP3=31 dBm，符合設(shè)計(jì)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了高線性度。

    根據(jù)版圖設(shè)計(jì)制作電路，通過Agilent噪聲系數(shù)儀測(cè)得噪聲系數(shù)NF。在直流功耗為15 mW，中心頻率為2 492 MHz，帶寬50 MHz條件下，噪聲系數(shù)NF=1.23 dB，增益Gain=32.72 dB，經(jīng)計(jì)算輸入輸出駐波比<1.5，滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)際測(cè)試性能與參考文獻(xiàn)對(duì)比如表1所示。 

    由表1可知，相比于文獻(xiàn)[12]窄帶(8.16 MHz)電路設(shè)計(jì)，本文針對(duì)寬帶低噪放設(shè)計(jì)，噪聲系數(shù)略有上升，但能滿足北斗三號(hào)導(dǎo)航系統(tǒng)更大帶寬信號(hào)接收的要求；相比于文獻(xiàn)[15]，在同樣寬帶條件下，本文電路在噪聲性能上具有一定的優(yōu)勢(shì)。

    最終兩級(jí)北斗低噪聲放大器的實(shí)物效果如圖14所示。經(jīng)過長(zhǎng)期的測(cè)試，各項(xiàng)指標(biāo)正常，無自激振蕩現(xiàn)象，符合北斗射頻前端設(shè)計(jì)要求，能滿足未來北斗三號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)廣闊的工程應(yīng)用。

4 結(jié)論

    本文基于毫米波管芯，研究一種可應(yīng)用于北斗三號(hào)RDSS的低噪聲放大器。該方案采用兩級(jí)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，在包括前后端多個(gè)濾波器插損在內(nèi)，實(shí)測(cè)結(jié)果表明在2.492 GHz頻點(diǎn)下，線性度高，增益大于30 dB，噪聲系數(shù)小于1.3 dB，噪聲性能參數(shù)理想，相較于現(xiàn)有S頻段低噪放設(shè)計(jì)方案，在各指標(biāo)上均有明顯的優(yōu)化提升，可為北斗三號(hào)用戶接收機(jī)的后續(xù)開發(fā)提供可靠的應(yīng)用支持。

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作者信息:

黃仕錦1，賴松林1，王宇楠2

(1.福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，福建 福州350108；

2.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)福建有限公司寧德分公司，福建 寧德352000)