引 言
LNA用于接收機前端電路，主要用來放大從天線接收到的微弱信號，降低噪聲干擾，其噪聲指標直接影響接收機的靈敏度，而靈敏度是通信接收機的關鍵指標之一，所以LNA電路設計的優(yōu)略對于接收機性能至關重要，且在商業(yè)應用中，數(shù)字通信技術的發(fā)展對無線基站用LNA電路提出了更為苛刻的要求。
1 LNA電路的基本理論
LNA電路的主要技術指標有噪聲系數(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和增益對接收機性能的影響較大。
設計LNA電路時，在保證電路絕對穩(wěn)定，避免產(chǎn)生自激振蕩的情況下，盡量降低放大器的FN。對于絕對穩(wěn)定的晶體管，可以按照最佳噪聲匹配得到最低的FN；對于條件穩(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，要對穩(wěn)定因子進行測試，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，良好的阻抗匹配設計能夠提高電路傳輸能量，提高系統(tǒng)增益，改善駐波特性，增強系統(tǒng)穩(wěn)定性，降低噪聲等，在設計LNA電路時，應根據(jù)不同的性能需求選擇不同的匹配方式。
2 LNA電路的設計
2．1 器件的選擇和級數(shù)的確定
設計LNA電路，首先要選擇FN小的放大管。從目前的種類和應用來看，Si和SiGe類低噪聲晶體管的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最低的為增強型PHEMT(E-PHEMT)器件。本設計選用Agilent的ATF-54143，該放大管為E-PHEMT器件，此類器件具有較優(yōu)的射頻特性。
本文的LNA電路要求實現(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LNA電路級聯(lián)構成。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，前級電路采用平衡式結構，后級電路主要考慮端口駐波、線性和穩(wěn)定性。LNA電路結構框圖如圖1所示，射頻信號從耦合器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3 dB耦合器到達1腳，上支路的反射波相位為θ°(假設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，本設計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載和高頻端吸收式負載。穩(wěn)定性改善后的μ穩(wěn)定性因子如圖2所示。
2．3 直流偏置電路的設計
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?，F(xiàn)以電流增加時的閉環(huán)控制過程為例，給出恒流控制電路原理圖如圖3所示。
場效應管的漏極電流上升→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→場效應管的柵極電位偏負→場效應管的漏極電流下降。
通過對ATF-54143的I—V特性和直流仿真，選擇其典型的靜態(tài)工作點Vds=4 V，Ids=60 mA。
2．4 輸入／輸出匹配網(wǎng)絡的設計
首先，通過器件模型得到圖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Smith圓圖輔以源、負載穩(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)絡如圖5所示。再用ADS進行仿真優(yōu)化，結合微帶單枝節(jié)等分布參數(shù)元件得到較為精確的網(wǎng)絡參數(shù)，滿足LNA的性能指標，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，前后級根據(jù)設計目標分別匹配。
因為基站性能指標對所用各器件的離散性指標要求極高，故此LNA的設計采用了Murata公司的高精度電感電容進行匹配。為了保證良好性能，PCB板材選用Rogers的RO4350。
2．5 仿真結果
單級LNA電路仿真原理圖如圖6所示。
在工作頻段內(nèi)進行仿真和優(yōu)化，平衡式LNA電路的FN和S參數(shù)如圖7所示。
3 LNA電路的實測結果
使用Agilent的噪聲分析儀、矢量網(wǎng)絡分析儀、信號源和頻譜分析儀對所設計的LNA電路制成品進行實測，結果如圖8、圖9和表1所示。
4 結 語
設計的LNA電路具有增益高，F(xiàn)N小，頻帶寬，駐波小，線性好的特點，實測與仿真優(yōu)化結果基本一致，并且由于其拓撲結構和匹配網(wǎng)絡固定，可用于WCCA分布式基站多個頻段，經(jīng)過后續(xù)的WCCA(最壞情況電路分析)分析，更進一步驗證其滿足電路設計規(guī)格的要求。
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