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[導(dǎo)讀]為了降低接收系統(tǒng)中微波放大器的噪聲,提高接收機(jī)靈敏度,文中介紹了微波低噪聲放大器的技術(shù)指標(biāo)和設(shè)計(jì)方法,并利用ADS軟件對(duì)微波低噪聲放大器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化和仿真。最后使微波低噪聲放大器的設(shè)計(jì)結(jié)果達(dá)到了設(shè)計(jì)期望值。

0 引言

隨著通訊工業(yè)的飛速發(fā)展,人們對(duì)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(duì)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(hào),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(duì)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(duì)單級(jí)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(duì)多級(jí)放大器。其噪聲系數(shù)的計(jì)算應(yīng)為:



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

對(duì)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(duì)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)Γsopt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?,F(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(hào)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(duì)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(duì)輸入匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化。但是,對(duì)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(duì)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)??捎脠D3所示的電路來對(duì)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(hào)對(duì)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(hào)。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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