《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于HP41511的LNA的設(shè)計(jì)
摘要: 隨著通訊工業(yè)的飛速發(fā)展,人們對各種無線通訊工具的要求也越來越高,。功率輻射小,、作用距離遠(yuǎn),、覆蓋范圍大已成為各運(yùn)營商乃至無線通訊設(shè)備制造商的普遍追求,,而這也同時(shí)對系統(tǒng)的接收靈敏度提出了更高的要求,。
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0 引言

隨著通訊工業(yè)的飛速發(fā)展,,人們對各種無線通訊工具的要求也越來越高,。功率輻射小、作用距離遠(yuǎn),、覆蓋范圍大已成為各運(yùn)營商乃至無線通訊設(shè)備制造商的普遍追求,而這也同時(shí)對系統(tǒng)的接收靈敏度提出了更高的要求,。

1 微波低噪聲放大器的作用

一般情況下,,一個(gè)接收系統(tǒng)的接收靈敏度可由以下計(jì)算公式來表示:

 

由上式可見,在各種特定(帶寬BW,、解調(diào)S/N已定)的無線通訊系統(tǒng)中,,能有效提高靈敏度的關(guān)鍵因素就是降低接收機(jī)的噪聲系數(shù)NF,而決定接收機(jī)噪聲系數(shù)的關(guān)鍵部件則是處于接收機(jī)最前端的低噪聲放大器,。

圖 1所示是接收機(jī)射頻前端的原理框圖,。由圖1可見,低噪聲放大器的主要作用是放大天線從空中接收到的微弱信號,降低噪聲干擾,,以供系統(tǒng)解調(diào)出所需的信息數(shù)據(jù),,所以,低噪聲放大器的設(shè)計(jì)對整個(gè)接收機(jī)來說是至關(guān)重要的,。

 

2 微波低噪聲放大器的主要技術(shù)指標(biāo)

2.1 噪聲系數(shù)

噪聲系數(shù)的定義為放大器輸入信噪比與輸出信噪比的比值,,即:

 

對單級放大器而言,其噪聲系數(shù)的計(jì)算為:

 

其中Fmin為晶體管最小噪聲系數(shù),,是由放大器的管子本身決定的,,Γopt、Rn和Γs分別為獲得Fmin時(shí)的最佳源反射系數(shù),、晶體管等效噪聲電阻以及晶體管輸入端的源反射系數(shù),。

對多級放大器。其噪聲系數(shù)的計(jì)算應(yīng)為:

 

其中NFn為第n級放大器的噪聲系數(shù),,Gn為第n級放大器的增益,。

對噪聲系數(shù)要求較高的系統(tǒng),由于噪聲系數(shù)很小,,用噪聲系數(shù)表示很不方便,,故常用噪聲溫度來表示,噪聲溫度與噪聲系數(shù)的換算關(guān)系為:

其中Te為放大器的噪聲溫度,,T0=2900K,,NF為放大器的噪聲系數(shù)。

 

2.2 放大器增益

放大器的增益定義為放大器輸出功率與輸入功率之比:

G=Pout/Pin (7)

通常提高低噪聲放大器的增益對降低整機(jī)的噪聲系數(shù)非常有利,,但低噪聲放大器的增益過高會(huì)影響整個(gè)接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍,。所以,一般來說,,低噪聲放大器的增益確定應(yīng)與系統(tǒng)的整機(jī)噪聲系數(shù),、接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍等結(jié)合起來考慮。

2.3 反射系數(shù)

由式(3)可知,,當(dāng)Γs=Γopt時(shí),,放大器的噪聲系數(shù)最小,NF=NFmin,,但此時(shí)從功率傳輸?shù)慕嵌葋砜?,輸入端?huì)失配,所以,,放大器的功率增益會(huì)降低,,但有些時(shí)候,為了獲得最小噪聲,,適當(dāng)?shù)臓奚恍┰鲆嬉彩堑驮肼暦糯笃髟O(shè)計(jì)中經(jīng)常采用的一種辦法,。

另外,,低噪聲放大器的輸入輸出駐波比、動(dòng)態(tài)范圍,、工作頻率,、工作帶寬及帶內(nèi)增益平坦度等指標(biāo)也很重要,設(shè)計(jì)時(shí)也需加以考慮,。

3 電路仿真設(shè)計(jì)

本電路設(shè)計(jì)要求的頻率范圍為1.95~2.05GHz,,噪聲系數(shù):為Nf應(yīng)小于2 dB,帶內(nèi)增益為G大于10 dB,,輸入,,輸出阻抗為50 Ω。現(xiàn)以上述指標(biāo)來進(jìn)行電路晶體管的選擇以及ADS仿真,。

3.1 晶體管的選擇

根據(jù)放大器的性能要求,,本設(shè)計(jì)選用HP 公司的AT-41511作為核心器件來進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于在ADS軟件中包含有這種型號晶體管的器件模型,,因此,,在設(shè)計(jì)和仿真過程中可以直接使用,而不必再自己建造器件模型,。

3.2 ADS仿真綜合指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)

仿真時(shí),,可將噪聲系數(shù)、放大器增益,、穩(wěn)定系數(shù)全部加入優(yōu)化目標(biāo)中進(jìn)行優(yōu)化,,并通過對帶內(nèi)放大器增益的限制來滿足增益平坦度指標(biāo),最終達(dá)到各個(gè)指標(biāo)要求,。反復(fù)調(diào)整優(yōu)化方法并優(yōu)化目標(biāo)中的權(quán)重(Weight),,也可以對輸入匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化。但是,,對部分電路指標(biāo)的優(yōu)化也可能導(dǎo)致其它某些指標(biāo)的惡化,,此時(shí)可以根據(jù)需要增加一些優(yōu)化變量。

圖2所示是經(jīng)過一次隨機(jī)優(yōu)化的S參數(shù)圖,。

仿真結(jié)果表明,,該電路基本上已經(jīng)達(dá)到了比較好的性能,且具有良好的輸入輸出匹配,,較高的增益和穩(wěn)定系數(shù),,同時(shí)噪聲系數(shù)也比較好。

3.3 封裝模型仿真設(shè)計(jì)

進(jìn)行完sp模型設(shè)計(jì)以后,,還需要將sp模型替換為封裝模型來做進(jìn)一步設(shè)計(jì)。具體需要進(jìn)行的工作如下:

(1) 將sp模型替換為封裝模型,;

(2)選擇直流工作點(diǎn)并添加偏置電壓,;

(3)進(jìn)行饋電電路的設(shè)計(jì)(電阻分壓、扇形線、高阻線等的使用),;

(4)替換為封裝模型后各項(xiàng)參數(shù)可能會(huì)有所變化,,如不滿足技術(shù)指標(biāo),還可以對封裝模型的原理圖再進(jìn)行仿真優(yōu)化,。

設(shè)計(jì)封裝模型時(shí),。可用圖3所示的電路來對器件的I-V特性進(jìn)行仿真,,以選擇其直流工作點(diǎn),。

 

在設(shè)計(jì)偏置電路時(shí),為了防止交流信號對直流電源的影響,,可在電源與饋電點(diǎn)之間添加 1/4波長的高阻線以遏制交流信號,。如果電路中有終端短路的微帶線,為了避免直流短路,,還應(yīng)在接地端插入隔直電容,。

4 結(jié)束語

從仿真設(shè)計(jì)的過程可以看到,使用Agilent公司的ADS軟件進(jìn)行射頻電路設(shè)計(jì),、仿真和優(yōu)化是非常方便的,。它含有豐富原理圖模型庫、多種仿真分析方式和一系列使用簡便而功能強(qiáng)大的設(shè)計(jì)工具,。這都可使復(fù)雜的射頻電路設(shè)計(jì)工作變得簡便快捷,,省去了大量人工計(jì)算設(shè)計(jì)的過程,提高了設(shè)計(jì)工作效率,。本文給出的微波低噪聲放大器的設(shè)計(jì)還是比較成功的,,基本達(dá)到了指標(biāo)要求。
 


 

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