劉文豹，楊自強(qiáng)，陳濤

電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，四川成都611731

寬帶平衡式低噪聲放大器的研究與設(shè)計(jì)

劉文豹，楊自強(qiáng)，陳濤

電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，四川成都611731

為解決低噪聲放大器設(shè)計(jì)時(shí)帶寬和駐波的問(wèn)題，提出一種結(jié)合平衡放大結(jié)構(gòu)和負(fù)反饋技術(shù)設(shè)計(jì)寬帶低噪聲放大器的方法。采用ATF38143晶體管，利用ADS軟件對(duì)其進(jìn)行匹配優(yōu)化，以自偏壓的形式提供負(fù)壓簡(jiǎn)化電路，通過(guò)并聯(lián)諧振電路調(diào)節(jié)增益平坦度，設(shè)計(jì)出一個(gè)工作在1．5～2．5 GHz內(nèi)、端口駐波小于1．4，噪聲系數(shù)優(yōu)于0．55、最大增益大于14 dB、帶內(nèi)增益平坦度優(yōu)于2 dB的寬帶低噪聲放大器，很好地解決了低噪聲放大器的帶寬和駐波問(wèn)題。

平衡放大；負(fù)反饋；寬帶；低噪聲放大器；噪聲系數(shù)

隨著雷達(dá)技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)兩者的性能要求也越來(lái)越高，低噪聲放大器（low?noise amplifier）處于雷達(dá)接收機(jī)和射頻接收機(jī)射頻前端的最前級(jí)，它的主要作用是放大接收到的微弱信號(hào)，抑制系統(tǒng)噪聲，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能影響很大［1?3］。因此具有高增益、低噪聲系數(shù)、寬帶寬的LNA是現(xiàn)代電子技術(shù)的重要研究方向。

低噪聲放大器的設(shè)計(jì)思路是通過(guò)對(duì)晶體管做最佳噪聲系數(shù)匹配，通過(guò)選擇合適的方案折中增益、噪聲系數(shù)、帶寬、增益平坦度、駐波等多個(gè)指標(biāo)。文中基于晶體管ATF38143，采用平衡放大結(jié)構(gòu)和串聯(lián)負(fù)反饋結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)寬帶放大、提高穩(wěn)定性，通過(guò)并聯(lián)諧振電路滿足帶內(nèi)增益平坦度，利用advanced design sys?tem（ADS）軟件對(duì)晶體管的輸入輸出進(jìn)行匹配仿真。

1 設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)

1．1 平衡放大技術(shù)

平衡式放大器是由2個(gè)3 dB定向耦合器和2個(gè)相同的放大電路構(gòu)成，基本的電路結(jié)構(gòu)如圖1［4］，第1個(gè)90°的混合耦合器將輸入信號(hào)分成2路有著相等幅度但有90°相位差的分量，然后通過(guò)2路相同的放大電路放大。第2個(gè)3 dB的耦合器將2路放大的信號(hào)重新合在一起。因?yàn)榛旌像詈掀鞯南辔惶匦?，?lái)自放大器輸入端的反射在2個(gè)耦合器的輸入端被抵消，從而改進(jìn)了阻抗匹配。平衡放大技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)有：1）可以獲得平坦的增益、噪聲系數(shù)；2）有較高的穩(wěn)定度和駐波比；3）如果一路放大電路失效，放大器不會(huì)完全失效，增益只會(huì)適度的降低；4）由于平衡式的輸入輸出都是耦合器，容易級(jí)聯(lián)。

圖1 平衡式放大器電路的結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)中耦合器采用了lange耦合器，該耦合器采用相互連接的4根耦合線。這種耦合器容易達(dá)到3 dB的耦合比，并且可以達(dá)到很寬的帶寬。

1．2 串聯(lián)負(fù)反饋技術(shù)

串聯(lián)負(fù)反饋電路的結(jié)構(gòu)是在晶體管的源級(jí)加入一個(gè)電抗性的元件，可以使用一個(gè)很小的電感也可以是一段微帶線，圖2為其基本電路形式［6］。源極串聯(lián)負(fù)反饋主要用于提高放大器的穩(wěn)定性，增加線性度，有益于實(shí)現(xiàn)噪聲匹配。源極串聯(lián)負(fù)反饋多采用感性元件且感值很小，在本設(shè)計(jì)中采用微帶線代替，由于其無(wú)源性，并不會(huì)影響放大器的噪聲。

圖2 串聯(lián)負(fù)反饋示意

2 放大器電路仿真與優(yōu)化

ADS是Agilent公司的微波電路和通信系統(tǒng)仿真軟件，可實(shí)現(xiàn)包括時(shí)域和頻域、數(shù)字和模擬、線性與非線性、噪聲等多種仿真［4］。它內(nèi)含基于矩量法mo?mentum的電磁仿真模塊，是一種對(duì)3D進(jìn)行簡(jiǎn)化的2．5D電磁仿真器，可對(duì)本設(shè)計(jì)中的lange耦合器進(jìn)行聯(lián)合仿真驗(yàn)證。

本設(shè)計(jì)目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)工作在1．5～2．5 GHz帶寬內(nèi)，噪聲系數(shù)優(yōu)于1，端口駐波小于1．5，帶內(nèi)增益大于10 dB，增益平坦度小于2 dB的低噪聲放大器。

2．1 lange耦合器的仿真

在ADS中可以直接選擇lange耦合器的模型建立仿真原理圖，設(shè)置lange耦合器的參數(shù)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式W／H＝0．107，S／H＝0．071，L＝λ／4，其中W為微帶線的寬度，S為微帶線之間的距離，H為基板的厚度，λ為設(shè)計(jì)中心頻率的波長(zhǎng)［7］。本設(shè)計(jì)采用介電常數(shù)為4．6、厚度為0．8 mm的F4板，因此可以計(jì)算出各個(gè)參數(shù)的初值，并通過(guò)ADS優(yōu)化得出最佳的設(shè)計(jì)結(jié)果。為獲得更準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，使用ADS的momentum電磁仿真模塊對(duì)lange耦合器的版圖進(jìn)行聯(lián)合仿真，仿真的模型圖片如圖3。通過(guò)觀察ADS的momentum仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)其與原理圖的仿真結(jié)果有比較大的差別。通過(guò)改變?cè)韴D的W、S參數(shù)值反復(fù)仿真可得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)結(jié)果。聯(lián)合仿真的結(jié)果傳輸參數(shù)S3，1、S4，1如圖4，并且3個(gè)端口的回波損耗均優(yōu)于－22 dB，由結(jié)果可知在帶內(nèi)該耦合器完全滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 串聯(lián)負(fù)反饋示意

圖4 lange耦合器聯(lián)合仿真結(jié)果

2．2 低噪聲放大器的仿真設(shè)計(jì)

通過(guò)ADS軟件對(duì)所選晶體管ATF38143進(jìn)行匹配，對(duì)單路的放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先對(duì)晶體管進(jìn)行直流仿真，結(jié)合器件手冊(cè)確定晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)。由于晶體管需要負(fù)壓，為簡(jiǎn)化電路形式，采用自偏壓的形式為晶體管提供負(fù)壓，在源級(jí)接一個(gè)電阻到地，柵極接一微帶線到地，這樣?xùn)艠O相對(duì)源級(jí)就成一個(gè)負(fù)壓狀態(tài)。同時(shí)在源級(jí)接一個(gè)2 mm長(zhǎng)的微帶線形成一個(gè)串聯(lián)負(fù)反饋，提高穩(wěn)定性。對(duì)晶體管的輸入匹配采用最佳噪聲系數(shù)匹配，這樣可以保證整個(gè)電路有一個(gè)比較好的噪聲系數(shù)指標(biāo)，輸出匹配按最大增益匹配來(lái)保證放大電路的增益要求。由于整個(gè)放大器的輸入輸出駐波由耦合器決定，放大器匹配時(shí)可以忽略這個(gè)指標(biāo)，保證最優(yōu)的噪聲系數(shù)和增益。

將之前仿真的lange耦合器加入到原理圖中，并將仿真得到的單路放大鏈路復(fù)制拷貝建立平衡式放大器原理圖，完整的電路原理圖如圖5所示。由于仿真的增益在帶內(nèi)平坦度無(wú)法滿足指標(biāo)，可在每路放大電路中并聯(lián)一個(gè)諧振電路的形式調(diào)節(jié)增益平坦度。該諧振電路由電容、電感和電阻構(gòu)成，通過(guò)調(diào)節(jié)諧振回路的諧振頻率和電阻的值使平坦度滿足要求，同時(shí)諧振回路可以增加低頻段的穩(wěn)定性。

圖5 本設(shè)計(jì)放大器的完整原理圖

2．3 仿真結(jié)果與分析

對(duì)圖5進(jìn)行最終優(yōu)化仿真，仿真結(jié)果如圖6，由仿真結(jié)果可知在工作帶寬1．5～2．5 GHz內(nèi)，輸入輸出回波損耗優(yōu)于－15 dB，兩端口駐波小于1．4，噪聲系數(shù)優(yōu)于0．55，最大增益大于14 dB，帶內(nèi)增益平坦度優(yōu)于2 dB，在0～6GHz內(nèi)放大器絕對(duì)穩(wěn)定，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 平衡式低噪聲放大器仿真優(yōu)化結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)低噪聲放大器主要考慮的指標(biāo)是噪聲系數(shù)和增益，但是這通常會(huì)犧牲放大器輸入駐波比的性能，因此普通結(jié)構(gòu)的LNA設(shè)計(jì)都是折中各個(gè)指標(biāo)。平衡式放大器能夠在增加一定的噪聲系數(shù)和損失一定的增益的條件下較好的改善輸入、輸出駐波比，擴(kuò)展工作帶寬，同時(shí)平衡式低噪聲放大器的功率容量比單路放大器大一倍，可以有效增大接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。文中采用平衡式放大器結(jié)構(gòu)和源極串聯(lián)負(fù)反饋技術(shù)設(shè)計(jì)了一種寬帶的低噪聲放大器電路，通過(guò)ADS軟件設(shè)計(jì)優(yōu)化平衡電路中的lange耦合器，并對(duì)晶體管ATF38143進(jìn)行匹配。采用自偏壓的形式簡(jiǎn)化電路形式，通過(guò)并聯(lián)諧振回路的形式調(diào)節(jié)增益平坦度。最終設(shè)計(jì)出一個(gè)工作在1．5～2．5 GHz內(nèi)，兩端口駐波小于1．4，噪聲系數(shù)優(yōu)于0．55，最大增益大于14 dB，帶內(nèi)增益平坦度優(yōu)于2 dB的低噪聲放大器。

通過(guò)設(shè)計(jì)仿真結(jié)果可知，將平衡式放大器結(jié)構(gòu)和負(fù)反饋相結(jié)合引入低噪聲放大器的設(shè)計(jì)可以很好地解決低噪聲放大器的帶寬和駐波問(wèn)題，并能保證較好的噪聲系數(shù)和帶內(nèi)增益。

［1］徐曉寧，胡兆剛．基于ADS的S波段平衡式寬帶低噪聲放大器的設(shè)計(jì)［J］．現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（12）：149?152．

［2］楊秀麗，李銘祥，葛建民，等．GSM基站應(yīng)用的平衡式低噪聲放大器［J］．上海大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，13（2）：130?133．

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［5］尹治強(qiáng)，謝擴(kuò)軍．基于ATF54143平衡式低噪聲放大器的設(shè)計(jì)［J］．電子設(shè)計(jì)工程，2012，21（2）：86?88．

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［10］MONGIA R，BHARTIA P，BAHL I J．RF and microwave coupled?line circuits［M］．London：Artech House，1999：243?304．

Research and design of the broadband balance type low noise amplifier

LIU Wenbao，YANG Ziqiang，CHEN Tao

Institute of Electronic Engineering，University of Electronic Science and Technology，Chengdu 611731，China

In order to eliminate the defects of band width and standing wave in the design of a low?noise amplifier，a design method for a broadband low?noise amplifier by combining balance amplification structure and negative feedback technology was proposed．ATF38143 transistor was applied，ADS software was used for matching and optimizing the transistor，a simplified circuit for negative voltage was provided in self?biasvoltage，and a parallel?connection reso?nance circuit was utilized to regulate the gain flatness．Finally，a broadband low?noise amplifier was designed，which works under 1．5～2．5 GHz，with standing wave at port less than 1．4，noise coefficient more than 0．55，the maximum gain above14 dB and the gain flatness inside band more than 2 dB．

balance amplification；negative feedback；broadband；low?noise amplifier；noise coefficient

TN710．3

A

1009?671X（2014）01?0022?04

10．3969／j．issn．1009－671X．20130421

2013?04?26．

日期：2013?07?04．

國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61006026）

劉文豹（1986?），男，碩士研究生；楊自強(qiáng)（1981?），男，副研究員．

劉文豹，E?mail：499693448＠qq．com．

http：／／www．cnki．net／kcms／detail／23．1191．U．20130704．1124．001．html