《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于毫米波管的北斗三號(hào)RDSS低噪聲放大器設(shè)計(jì)
2020年電子技術(shù)應(yīng)用第3期
黃仕錦1,,賴(lài)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
摘要: 現(xiàn)有北斗信號(hào)接收機(jī)在S頻段上低噪放方案,,滿足增益條件下噪聲系數(shù)在1.5 dB~1.7 dB,,噪聲性能仍可進(jìn)一步優(yōu)化,。方案基于NPN寬帶硅鍺射頻晶體管工藝,,設(shè)計(jì)了一款基于高帶寬毫米波管芯的低噪聲放大器。放大器采用兩級(jí)共軛匹配實(shí)現(xiàn)電路噪聲與增益的最佳平衡,;并利用LDO電路線性穩(wěn)壓輸出實(shí)現(xiàn)電源噪聲最小化,。經(jīng)過(guò)ADS軟件仿真、Altium designer制板及Agilent噪聲分析儀的實(shí)測(cè)表明,其單級(jí)放大器噪聲系數(shù)最低可達(dá)0.4 dB,,在2.492 GHz頻點(diǎn)下,,方案最大增益為32 dB,對(duì)應(yīng)的噪聲系數(shù)為1.23 dB,。該低噪放方案應(yīng)用于北斗用戶接收機(jī)前端,,可有效提高系統(tǒng)噪聲性能,提升信號(hào)接收效率,。
中圖分類(lèi)號(hào): TN722.3
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.191296
中文引用格式: 黃仕錦,,賴(lài)松林,王宇楠. 基于毫米波管的北斗三號(hào)RDSS低噪聲放大器設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2020,,46(3):5-9,13.
英文引用格式: Huang Shijin,,Lai Songlin,,Wang Yunan. Design of BDS-3 RDSS low noise amplifier based on millimeter wave tube[J]. Application of Electronic Technique,2020,,46(3):5-9,,13.
Design of BDS-3 RDSS low noise amplifier based on millimeter wave tube
Huang Shijin1,Lai Songlin1,,Wang Yunan2
1.School of Physics and Information Engineering,,University of Fuzhou,F(xiàn)uzhou 350108,,China,; 2.Ningde Branch of China Mobile Communications Group Fujian Co.,Ltd.,,Ningde 352000,,China
Abstract: The existing Beidou signal receiver has a low-noise amplifier scheme in the S-band, and the noise figure is between 1.5 dB~1.7 dB under the condition of meeting the gain requirements and the noise performance can be further optimized. The scheme studies a low noise amplifier(LNA) based on a high-bandwidth millimeter wave tube. The tube is based on NPN broadband silicon germanium RF transistor process. Amplifier uses two-stage conjugate matching to achieve the best balance between circuit noise and gain,and uses LDO circuit linear regulated output to minimize power supply noise. ADS software simulation, Altium designer board and actual measurement of Agilent noise analyzer show that it′s single-stage amplifier has a minimum noise figure of 0.4 dB. At 2.492 GHz, the maximum gain of the solution is 32 dB, and the corresponding noise figure is 1.23 dB. The low-noise amplifier scheme is applied to the front end of Beidou user receiver, which can effectively improve the system noise performance and improve the signal receiving efficiency.
Key words : Beidou-3 satellite receiver,;low noise amplifier,;Advanced Design Systems simulation;millimeter wave tube

0 引言

    低噪聲放大器(LNA)位于接收機(jī)的前端,,是無(wú)線通信系統(tǒng)射頻接收機(jī)關(guān)鍵的單元模塊,。隨著無(wú)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]?,F(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(guò)改善偏置電路的靜態(tài)工作點(diǎn),,采用線性穩(wěn)壓電路來(lái)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(guò)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,[email protected] 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。

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    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(guò)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,。

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    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(guò)芯片手冊(cè)看出,,在VCE=2 V,,IC=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:

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    根據(jù)實(shí)際寄生參數(shù)的影響,,調(diào)整確定R1=R2=100 Ω,RB=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,。

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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(chēng)無(wú)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ΓL和ΓS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:

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    此時(shí)放大器是無(wú)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(lái)增加穩(wěn)定性。為減小S12帶來(lái)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(guò)程中,,利用微帶線代替電感,,通過(guò)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),。

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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:

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    其量值等于諧振頻率f0與3 dB帶寬BW的比值,。通過(guò)QL與BW關(guān)系可以調(diào)節(jié)頻率響應(yīng)[10],然而B(niǎo)W往往在設(shè)計(jì)初便已被規(guī)定,故調(diào)節(jié)QL數(shù)值對(duì)頻率響應(yīng)產(chǎn)生較大影響,。實(shí)際中QL可以根據(jù)最大節(jié)點(diǎn)品質(zhì)因數(shù)Qn來(lái)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(lái)控制QL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(guò)程微帶線長(zhǎng)度有所變化,。電路如圖7所示。

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    根據(jù)匹配電路設(shè)計(jì)原理,,通過(guò)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(jiàn),,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。

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    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(guò)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(wú)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(guò)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。

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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(lèi)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。

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    根據(jù)版圖設(shè)計(jì)制作電路,,通過(guò)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,。 

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    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(guò)長(zhǎng)期的測(cè)試,各項(xiàng)指標(biāo)正常,,無(wú)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(lái)北斗三號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)廣闊的工程應(yīng)用,。

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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(kāi)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(lài)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)

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