《電子技術(shù)應(yīng)用》
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北斗高性能低噪聲放大器的研究與設(shè)計
2014年微型機與應(yīng)用第20期
王麗黎1,,楊海龍1,劉江凡2
1.西安理工大學 自動化與信息工程學院,,陜西 西安 710048,; 2.空間微波技術(shù)重點實驗室,,陜西 西安 710048
摘要: 針對國內(nèi)北斗行業(yè)的發(fā)展,介紹了一種適用于北斗B3頻段的低噪聲放大器的設(shè)計原理和設(shè)計方法,,并給出了設(shè)計結(jié)果,。為了達到更好的增益,采用了3級級聯(lián)的方式,。最終設(shè)計出的低噪聲放大器在B3頻段內(nèi)的增益為(40±0.5)dB,,輸入駐波系數(shù)小于1.5,輸出駐波系數(shù)小于1.2,,噪聲系數(shù)小于1 dB,,在全頻段內(nèi)無條件穩(wěn)定。
Abstract:
Key words :

  摘  要: 針對國內(nèi)北斗行業(yè)的發(fā)展,,介紹了一種適用于北斗B3頻段的低噪聲放大器的設(shè)計原理和設(shè)計方法,,并給出了設(shè)計結(jié)果。為了達到更好的增益,,采用了3級級聯(lián)的方式,。最終設(shè)計出的低噪聲放大器在B3頻段內(nèi)的增益為(40±0.5)dB,輸入駐波系數(shù)小于1.5,,輸出駐波系數(shù)小于1.2,,噪聲系數(shù)小于1 dB,,在全頻段內(nèi)無條件穩(wěn)定。

  關(guān)鍵詞: 低噪聲放大器,;北斗,;噪聲系數(shù)

0 引言

  隨著國內(nèi)北斗定位系統(tǒng)的不斷完善,國內(nèi)已有很多學者著手研究適用于北斗頻段的天線和濾波器,,本設(shè)計適用于BD3的低噪聲放大器,,將實現(xiàn)對BD3頻段低噪聲放大。低噪聲放大器常用于接收系統(tǒng)的前端,,其性能的好壞直接影響著整個系統(tǒng)的性能,。低噪聲放大器的性能指標主要是噪聲系數(shù)、增益,、工作頻帶、電壓駐波比和帶內(nèi)平坦度等,,尤其是噪聲系數(shù)和增益對整機性能影響較大,。如果工程中需要的增益比較大,就需要多級放大器級聯(lián),,多個放大器級聯(lián)的噪聲系數(shù)為:

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  其中,,Nf表示總的噪聲系數(shù),Ni表示第i級的噪聲系數(shù),,Gi表示第i級的增益[1],。從式(1)可以看出,對整個系統(tǒng)的噪聲系數(shù)影響比較大的是第一級的噪聲系數(shù),,因此本文設(shè)計的重點在第一級,,選擇安華高公司的一種低噪聲元器件ATF34143;考慮到整體尺寸的要求,,第二級和第三極采用RFMD公司的SPF5043z,。本文設(shè)計的LNA的中心頻率為1 268.52 MHz,帶寬為20 MHz,,適用于北斗的B3頻段(B1中心頻率為1 268.52 MHz,,帶寬為20 MHz)。

1 技術(shù)指標

  低噪聲放大器的主要技術(shù)指標如下:工作頻率為   1 258 MHz~1 278 MHz,,中心頻率為1 268.52 MHz,,要求全頻帶穩(wěn)定;增益>37 dB,,平坦度<0.5 dB,;噪聲系數(shù)<1 dB,輸入駐波比<1.5,,輸出駐波比<1.2,;介電常數(shù)Er=2.65,,板材厚度為0.8 mm;外形尺寸為20 mm ×40 mm,。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和芯片的選擇

  高性能的低噪聲放大器得益于它的高增益和低噪聲系數(shù),,可以應(yīng)用在轉(zhuǎn)發(fā)器、抗干擾等更多的實際應(yīng)用中,。設(shè)計中對整體的結(jié)構(gòu)布局如圖1所示,。

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  圖1中第一級采用的是安華高公司的一種低噪聲的元器件ATF34143,可以通過Advanced Design System(ADS)對其進行偏置電路的設(shè)計,、穩(wěn)定性分析以及輸入輸出的匹配,;第二級和第三級選擇了RFMD公司的SPF5043z(是一種集成的低噪聲放大器模塊,不需要額外的匹配電路),,這樣就大大節(jié)省了電路的尺寸,,并縮小了空間尺寸。再者設(shè)計的第二級與第三級之間加入了帶通濾波器TA0862a(一種輸入輸出都是50 ,、適用于B3的帶通濾波器[2]),,擁有較好的通帶內(nèi)的平坦度和帶內(nèi)損耗,如表1所示,。

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3 低噪聲放大器電路的設(shè)計和匹配

  第一級選用了低噪聲元器件ATF34143,,根據(jù)芯片的特點,選定了其在3 V,、20 mA工作狀態(tài)的S2P文件,,與TRL校準提取的S參數(shù)比對以后進行了穩(wěn)定性分析以及輸入輸出端的匹配。在ADS中導(dǎo)入S2P文件以后對電路做穩(wěn)定性分析,。

  穩(wěn)定性要滿足的3個條件:

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  K稱為穩(wěn)定判別系數(shù),,K>1是穩(wěn)定狀態(tài)。只有當3個條件都滿足時,,才能保證放大器是絕對穩(wěn)定的[1],。一般采取的穩(wěn)定性措施有:(1)引入負反饋;(2)在管子的輸入或者輸出端口串并聯(lián)電阻,。這兩種方法都有效,,但是一般在設(shè)計中往往采取多種方法相組合的方式來做穩(wěn)定[3]。圖2是已經(jīng)做好穩(wěn)定性的電路,,在其輸入端口并聯(lián)了50 ?贅的電阻,,輸出端口串聯(lián)了一個22 和并聯(lián)了一個500 ?贅的電阻,并加入了負反饋,。圖3為穩(wěn)定性曲線,,可以看到在0~10 GHz大于1的情況下都是穩(wěn)定的,確保了芯片工作在穩(wěn)定狀態(tài),。

  在設(shè)計低噪聲放大器時,,既要求最好的噪聲系數(shù),,又要求最大的增益。因此在調(diào)節(jié)整個電路的穩(wěn)定性時,,就要考慮到最好增益和最佳噪聲系數(shù)之間的關(guān)系[4],,圖4為等增益圓和等噪聲系數(shù)的smith圓圖。

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  最佳噪聲和增益點的匹配是低噪聲放大器設(shè)計關(guān)鍵,,GammaS是源反射系數(shù)的最佳值,,是從分立元件向源看去的。圖4中增益圓,,其步進為1 dB,,增益圓圓心代表著最佳增益點,短實連續(xù)線為等噪聲系數(shù)圓,,其步進為0.2 dB,,其圓心代表著最佳的噪聲點。因此,,為了獲得較好的噪聲系數(shù)和較好的增益,,在設(shè)計的過程中盡量使S*11與GammaS相接近。圖4中m6為BD3的中心頻率1 268 MHz的S11(實線)所在的點,,對其取共軛,可以想象它與GammaS非常接近,。調(diào)整好最佳的源反射系數(shù)以后,,就要對其進行輸入輸出匹配,匹配的電路如圖5所示,。仿真結(jié)果如圖6所示,。

  第二級和第三級采用的是RFMD公司的SPF5043z,它是一種理論上不需要匹配的集成的低噪聲放大器模塊,,但是實際中可能需要調(diào)整,,這對于整體的電路設(shè)計尺寸來說減少了后兩級的匹配網(wǎng)絡(luò),大大節(jié)省了空間,,縮小了整體的尺寸,,這對于實際工程應(yīng)用意義重大。芯片手冊給出的SPF5043z的電路如圖7所示[5-6],。

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4 測試的結(jié)果


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  低噪聲放大器的測量內(nèi)容主要為S參數(shù)和噪聲系數(shù),,S參數(shù)的測量采用Agilent的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀,測量的結(jié)果如圖8所示,,圖中的中心頻率為1 268.52 MHz,,Span=20 MHz,圖中包含S11,、S21,、S12,、S22以及輸入輸出端的smith圓圖,輸入端口的回波損耗>20 dB,,換算后的輸入端口的駐波系數(shù)<1.2,,輸出端口的回波損耗>20 dB,換算后的輸出端口的回波損耗<1.2,,增益以及平坦度為(40±0.5) dB,,滿足設(shè)計要求。噪聲系數(shù)的測量采用Agilent噪聲分析儀測試,,由于低噪聲放大器的增益比較大,,為保護噪聲系數(shù)分析儀,在低噪聲放大器的輸出端口加入了20 dB左右的衰減器,,確保其在安全范圍內(nèi),。最終測定的噪聲系數(shù)以及加上20 dB衰減以后的增益如表2所示,噪聲系數(shù)在通帶內(nèi)<1 dB,,比較理想,,增益與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測的相比也比較吻合,能夠滿足較多工程的應(yīng)用要求,。

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5 結(jié)論

  本文設(shè)計出的BD3低噪聲放大器的性能參數(shù)滿足設(shè)計要求,,性能參數(shù)比較理想,其較低的噪聲系數(shù)和較高的增益以及平坦度,,可以應(yīng)用在信號的接收,、轉(zhuǎn)發(fā)器、抗干擾等實際工程應(yīng)用中,,具有良好的應(yīng)用前景,。

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