GPS接收機(jī)低噪聲放大器設(shè)計(jì)

 低噪聲放大器(Low Noise Amplifier，LNA)廣泛應(yīng)用于射電天文、衛(wèi)星接收、雷達(dá)通信等收信機(jī)靈敏度要求較高的領(lǐng)域，主要作用是放大所接收的微弱信號(hào)、降低噪聲、使系統(tǒng)解調(diào)出所需的信息數(shù)據(jù)。而噪聲系數(shù)(Noise Figure，NF)作為其一項(xiàng)重要的技術(shù)指標(biāo)直接反映整個(gè)系統(tǒng)的靈敏度，所以LNA設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。

1 GPS接收機(jī)低噪聲放大器的設(shè)計(jì)
    設(shè)計(jì)的LNA主要指標(biāo)為：工作頻率為1 520～1 600 MHz；噪聲系數(shù)NF<O．50 dB；增益G>16．0 dB；輸入駐波比<2；輸出駐波比<1．5。
1．1 器件選擇
    選擇合適的器件，考慮到噪聲系數(shù)較低、增益較高，所以選擇PHEMT GaAsFET低噪聲晶體管。在設(shè)計(jì)低噪聲放大器前，首先要建立晶體管的小信號(hào)模型，一般公司都會(huì)提供具有現(xiàn)成模型的放大器件。這里選擇Agilent公司的生產(chǎn)的ATF-54143。1．52～1．60 GHz頻帶內(nèi)，設(shè)計(jì)反τ型匹配網(wǎng)絡(luò)，該匹配網(wǎng)絡(luò)由集總元件電感、電容構(gòu)成。選擇電感時(shí)，要選擇高Q電感。為了在模擬仿真中能夠與實(shí)際情況相符合，選用Murata公司的電感和電容模型。這里選用貼片電感型號(hào)為L(zhǎng)QWl8，貼片電容型號(hào)為GRMl8，電感LQWl8在1．6 GHz典型Q值為80。
1．2 直流偏置
    在設(shè)計(jì)低噪聲放大器中，設(shè)計(jì)直流偏置的目標(biāo)是選擇合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，靜態(tài)點(diǎn)的好壞直接影響電路的噪聲、增益和線性度。由電阻組成的簡(jiǎn)單偏置網(wǎng)絡(luò)可以為ATF-54143提供合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，但溫度性較差。可用有源偏置網(wǎng)絡(luò)彌補(bǔ)溫度性差的缺點(diǎn)，但有源偏置網(wǎng)絡(luò)會(huì)使電路尺寸增加，加大了電路板排版的難度以及增加了功率消耗。在設(shè)計(jì)實(shí)際電路中，要根據(jù)具體情況選擇有源偏置網(wǎng)絡(luò)，或是電阻偏置網(wǎng)絡(luò)。就文中的LNA而言，考慮到結(jié)構(gòu)和成本，這里選擇電阻無(wú)源偏置網(wǎng)絡(luò)。采用Agilenl的ATF54143，根據(jù)該公司給出的datasheet指標(biāo)，設(shè)計(jì)Vds=3．8 V、Ids=ll mA偏置工作點(diǎn)。因?yàn)樵陔娏鳛閘lmA時(shí)ATF-54143性能較好。電阻R3為100 Ω；R2為680 Ω；R1為60 Ω，如圖1所示。

1．3 穩(wěn)定性設(shè)計(jì)
    放大器的穩(wěn)定性是放大器中需要考慮的重要因素。需要在工作頻率下絕對(duì)穩(wěn)定，有兩種方法可以判斷該器件是無(wú)條件穩(wěn)定。第一種方法
   
第二種方法：用s參量組合成的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，只有單一參量μ，其定義為
   
    要使電路穩(wěn)定通常有兩種方法：第一種，在場(chǎng)效應(yīng)管漏極端加阻性負(fù)載，能夠在很寬的頻段內(nèi)使器件產(chǎn)生等阻抗，從而獲得寬帶穩(wěn)定性。其缺點(diǎn)是阻性終端要消耗一些能量，降低輸出功率；第二種，在源極與地之間加電感，可引起串聯(lián)負(fù)反饋，使器件增益下降，但穩(wěn)定性提高了。在微波電路中，源極負(fù)反饋可以是電感集總元件，也可以是一段短傳輸線，本設(shè)計(jì)采用前者。
    仿真結(jié)果如圖2，圖3所示，可以看出在l 520～l 600 MHz的范圍內(nèi)輸入輸出及整體穩(wěn)定性都>1，因此電路在帶內(nèi)穩(wěn)定。

1．4 輸入輸出阻抗匹配電路設(shè)計(jì)
    在設(shè)計(jì)LNA時(shí)，輸入匹配不能采用共軛匹配方法，而是采用最佳源反射系數(shù)噪聲匹配。輸入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)電路由C4和L5組成，如圖3所示，網(wǎng)絡(luò)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。L1起到通直流和扼交流的作用，C1起到射頻旁路的作用。電感L1和L5的Q值對(duì)輸入端降低電路損耗和減小NF(2)有重要作用。低電感Q值會(huì)增大輸人噪聲，從而影響整個(gè)電路的總噪聲。
    而輸出匹配采用共軛匹配設(shè)計(jì)。輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)由C6和L7組成，如圖4所示，降低回波損耗，提高增益。C2起著射頻旁路作用，C5起著電源去耦作用。
    用Smith軟件簡(jiǎn)單求得匹配網(wǎng)絡(luò)集總元件的值后，再用ADS軟件進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化時(shí)，要注意幾點(diǎn)：首先通過(guò)調(diào)諧功能手動(dòng)調(diào)整各個(gè)器件參數(shù)，知道哪些器件參數(shù)對(duì)電路指標(biāo)影響較大，對(duì)于敏感的器件參數(shù)要小心處理；其次設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)；最后，優(yōu)化時(shí)，要避免自激振蕩。
1．5 LNA電路的整體優(yōu)化
    對(duì)直流偏置設(shè)計(jì)、穩(wěn)定性設(shè)計(jì)和匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)后，LNA結(jié)構(gòu)基本固定，但為了達(dá)到各項(xiàng)指標(biāo)要求，還需要優(yōu)化各個(gè)器件的值，而且要考慮實(shí)際電路微帶線、短路接地、過(guò)孔的影響，所以還需對(duì)電路進(jìn)行整體仿真優(yōu)化。
    通常在射頻電路中，使用的是微帶線傳輸信號(hào)，需要注意微帶線的寬度，寬度的大小決定特性阻抗。對(duì)于輸入輸出端口通常采用50 Ω特性阻抗。在本次設(shè)計(jì)中，選用板材是相對(duì)常數(shù)為2．65，厚度為1 mm的PTFE。利用Agilent公司的Appcad軟件，可以計(jì)算出微帶線的寬度為2．57 mm。
    對(duì)LNA電路優(yōu)化時(shí)，優(yōu)化指標(biāo)的設(shè)置要合理。優(yōu)化指標(biāo)過(guò)程中，要充分利用調(diào)諧功能，先知道參數(shù)的大概數(shù)值，然后在此基礎(chǔ)上對(duì)各項(xiàng)參數(shù)優(yōu)化，直到達(dá)到理想效果。最終仿真結(jié)果如圖5所示。

1．6 測(cè)試結(jié)果
    圖6為實(shí)際低噪聲放大器實(shí)驗(yàn)板，并用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和噪聲儀測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示：Gain>16．0 dB；NF(2)<0．5 dB；輸人駐波比<2；輸出駐波比<1．5。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合。

2 結(jié)束語(yǔ)
    文中選用Agilent公司E-PHEMT噪聲系數(shù)較低的ATF-54143，設(shè)計(jì)了低噪聲放大器。介紹了偏置電路設(shè)計(jì)，穩(wěn)定性設(shè)計(jì)及輸入輸出網(wǎng)絡(luò)匹配電路設(shè)計(jì)的方法。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，文中設(shè)計(jì)的低噪聲放大器符合指標(biāo)要求，適用于GPS頻段的通信。