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)用對射頻接收機(jī)的噪聲性能要求日益提高^[1]?，F(xiàn)有北斗用戶接收機(jī)前端為接收S頻段信號，利用1 GHz～3 GHz射頻晶體管的低噪放設(shè)計方案^[2],，在滿足功率增益情況下,，實際測試噪聲性能在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,，通過改善偏置電路的靜態(tài)工作點，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)，減輕雜訊信號干擾,。通過軟件仿真和實際測試,，結(jié)果顯示該方案能在寬頻帶下實現(xiàn)增益Gain>30 dB，噪聲系數(shù)NF<1.3 dB,，IIP3>15 dBm,，顯著優(yōu)化了北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)前端的指標(biāo)設(shè)計要求，具有廣闊的應(yīng)用前景,。

1 系統(tǒng)要求和設(shè)計方案

    我國北斗有源定位衛(wèi)星系統(tǒng)(RDSS)和短報文通信主要應(yīng)用于S頻段內(nèi),，北斗三號衛(wèi)星信號到達(dá)地面時，最小功率電平為-163 dBW,，最大信號帶寬為20.46 MHz,，信號中心頻率為2 491.75 MHz。為捕獲北斗三號主要信號,，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,，[email protected] GHz>15 dBm，輸入輸出駐波比小于1.5 dB,。

    本次設(shè)計中采用的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],。單級放大器在2.492 GHz頻點上最高增益達(dá)25 dB,，最小噪聲可達(dá)0.4 dB，但仍未達(dá)到設(shè)計要求,。故方案采用兩級級聯(lián)結(jié)構(gòu),，第一級與第二級之間采用共軛匹配，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)計利用ADS軟件仿真優(yōu)化^[4],，Altium designer進(jìn)行版圖設(shè)計,，最終實際測試。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,，在第一級輸入匹配網(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,，保留北斗信號主頻段^[5],。并在級間及第二級輸出匹配網(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)計與仿真

2.1 靜態(tài)工作點測試及偏置電路設(shè)計

    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)工作點的合理設(shè)置是實現(xiàn)其交流性能的前提,。通過芯片手冊看出，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,，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)定性分為絕對穩(wěn)定和相對穩(wěn)定。絕對穩(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Smith圓圖內(nèi)始終處于穩(wěn)定狀態(tài)。將放大器視為一個兩端口網(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：

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

    為達(dá)到絕對穩(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,，放大器均保持絕對穩(wěn)定,。在實際的放大器測試過程中，利用微帶線代替電感,，通過網(wǎng)絡(luò)分析儀對放大器的穩(wěn)定因子K進(jìn)行測試,，結(jié)果表明在空載時電路已達(dá)到絕對穩(wěn)定狀態(tài),。

2.3 匹配電路設(shè)計分析

    匹配電路網(wǎng)絡(luò)分輸入匹配、級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際電路通道，以進(jìn)一步為實際調(diào)試匹配提供根據(jù),。為實現(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò)在2.492 GHz頻點上實現(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)計初便已被規(guī)定,，故調(diào)節(jié)Q_L數(shù)值對頻率響應(yīng)產(chǎn)生較大影響。實際中Q_L可以根據(jù)最大節(jié)點品質(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,，增加一個節(jié)點并適當(dāng)選擇該節(jié)點上的阻抗來控制Q_L值,。L₂在偏置輸入電路上防止交流信號對電源損害，也對輸入端匹配的最佳噪聲點分布產(chǎn)生一定影響,。而電感Q值大小會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，從而影響整個電路的總噪聲^[11],。故在選用電感型號時,，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)匹配過程微帶線長度有所變化。電路如圖7所示,。

    根據(jù)匹配電路設(shè)計原理,，通過Smith圓圖設(shè)計出最佳噪聲系數(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,，而增益圓圓心m10并未達(dá)到最佳增益點，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,，其中直流信號和交流信號已被電容和電感相互隔離，相互之間不受影響,。且偏置電路上兩級均增加EMI三端陶瓷濾波電容器,，以進(jìn)一步將干擾信號濾除，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，接入射頻信號帶載調(diào)試,，電路處在相對穩(wěn)定的狀態(tài),，一旦出現(xiàn)過度失配現(xiàn)象，會造成放大器自激振蕩,，導(dǎo)致電路不能正常工作,。尤其是第二級輸出端上直流通路上的電感L₈，在實際測試中對匹配點產(chǎn)生顯著的影響,，臨界微小值的改變會造成電感內(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,。測試表明，當(dāng)L₈電感值在0 nH～3 nH時匹配前后級網(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，以保持低噪放相對穩(wěn)定正常工作和匹配參數(shù)良好,。電路如圖12所示,。

3 測試結(jié)果與性能分析

    高頻信號之間會產(chǎn)生電磁干擾和耦合，以及空間中各類信號干擾,，設(shè)計不當(dāng)會導(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，減小信號耦合與反饋,。偏置電路的饋電通路與主信號線垂直,，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(IP3)衡量線性程度,，本次設(shè)計仿真結(jié)果如圖13所示。在2.492 GHz頻點上,，IIP3=17.2 dBm,，OIP3=31 dBm，符合設(shè)計指標(biāo),，實現(xiàn)了高線性度,。

    根據(jù)版圖設(shè)計制作電路，通過Agilent噪聲系數(shù)儀測得噪聲系數(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)計算輸入輸出駐波比<1.5,，滿足設(shè)計要求,。實際測試性能與參考文獻(xiàn)對比如表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,，本文針對寬帶低噪放設(shè)計，噪聲系數(shù)略有上升,，但能滿足北斗三號導(dǎo)航系統(tǒng)更大帶寬信號接收的要求,；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,。

    最終兩級北斗低噪聲放大器的實物效果如圖14所示。經(jīng)過長期的測試,，各項指標(biāo)正常,，無自激振蕩現(xiàn)象，符合北斗射頻前端設(shè)計要求,，能滿足未來北斗三號衛(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RDSS的低噪聲放大器。該方案采用兩級級聯(lián)結(jié)構(gòu),，在包括前后端多個濾波器插損在內(nèi),，實測結(jié)果表明在2.492 GHz頻點下，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)計方案，在各指標(biāo)上均有明顯的優(yōu)化提升,，可為北斗三號用戶接收機(jī)的后續(xù)開發(fā)提供可靠的應(yīng)用支持,。

參考文獻(xiàn)

[1] BEVILACQUA A，NIKNEJAD A M.An ultrawideband CMOS low-noise amplifier for 3.1-10.6-GHz wireless receivers[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits,，2004,，39(12)：2259-2268.

[2] Sun Chao，Hu Haoquan,，Pang Qianyun.Design of a S-band low noise amplifier[C].IEEE International Conference on Communiction Problem-solving,，5-7 Dec.2014.

[3] 魏啟迪，林俊明,，章國豪,，等.應(yīng)用于802.11ac的SiGe BiCMOS低噪聲放大器[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2018,，44(7)：42-45,，51.

[4] 陳烈強(qiáng)，顧穎言.利用ADS仿真設(shè)計射頻寬帶低噪聲放大器[J].微波學(xué)報,，2010,，26(S1)：288-291.

[5] 唐霆宇.一種小型化超寬帶接收前端的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2019,，45(6)：11-14.

[6] 程曦,，邱義杰.6-18 GHZ小型化低噪聲放大器的設(shè)計[J].微波學(xué)報，2012,，28(5)：85-88.

[7] 王林,，王軍，王丹丹.超寬帶低噪聲放大器的頻帶選擇性設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2016,，42(11)：22-24，28.

[8] 孟慶斌,，黃貴興,，葛付偉，等.一種低噪放多級匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與仿真[J].微波學(xué)報，2012(3)：61-65.

[9] 劉萌萌,，張盛,，王碩，等.一種CMOS超寬帶LNA的優(yōu)化設(shè)計方法[J].電子學(xué)報,，2009,，37(5)：1082-1086.

[10] LUDWIG R，BOGDANOV G.射頻電路設(shè)計：理論與應(yīng)用[M].王子宇,，王心悅,，等，譯.北京：電子工業(yè)出版社,，2013.

[11] 彭龍新,，林金庭，魏同立.寬帶單片低噪聲放大器[J].電子學(xué)報,，2004,，32(11)：1933-1937.

[12] 陳昊，蔡文郁,，汪潤泉.基于ATF5143和SGL0622Z的北斗低噪放設(shè)計[J].杭州電子科技大學(xué)學(xué)報,，2015，35(6)：23-27.

[13] 馬杰,，王麗黎.北斗+GPS高性能低噪聲放大器的研究與設(shè)計[J].電子器件,，2017，40(6)：1423-1436.

[14] 耿志卿.一種2.4GHz低功耗可變增益低噪聲放大器[J].微電子學(xué),，2019,，49(1)：22-28.

[15] 韋可雷，郭敏,，黃雷,，等.2.4GHz低噪聲放大器設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2016,，24(18)：172-174.

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