引 言

　　LNA用于接收機(jī)前端電路,，主要用來(lái)放大從天線(xiàn)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L(fǎng)NA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(wú)線(xiàn)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>1,。

　　為保證低噪聲性能,，通過(guò)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(lèi)和應(yīng)用來(lái)看,，Si和SiGe類(lèi)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(lèi)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(xiàn)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(mǎn)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(xiàn)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(guò)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(mǎn)足電路設(shè)計(jì)規(guī)格的要求,。