杜海明,仲繼生,趙紅梅,崔光照

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院電氣信息工程學(xué)院,鄭州 450002)

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低Q值匹配網(wǎng)絡(luò)超寬帶低噪聲放大器設(shè)計(jì)*

杜海明*,仲繼生,趙紅梅,崔光照

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院電氣信息工程學(xué)院,鄭州 450002)

摘要:提出了一種基于低Q值匹配網(wǎng)絡(luò)的超寬帶低噪聲放大器(LNA)的設(shè)計(jì)方法。該方法將LC濾波電路加入偏置電路中,以降低系統(tǒng)噪聲同時(shí)調(diào)節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)Q值;通過選擇合適的反饋回路,提高LNA的帶寬并調(diào)節(jié)匹配網(wǎng)路Q值;利用匹配電路結(jié)構(gòu)及優(yōu)化的Q值,解決了放大器頻帶窄、噪聲高、增益低的問題。測試結(jié)果表明,在頻段1.5 GHz～2.5 GHz內(nèi),其紋波特性低于1 dB,增益達(dá)到25 dB。將實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果相比較,驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方法的合理性,與傳統(tǒng)LNA設(shè)計(jì)方法相比,采用低Q值匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方法結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)越,具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞:低噪聲放大器;匹配網(wǎng)絡(luò);低Q值;超寬帶

自從美國聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)2002年允許UWB在商業(yè)通信領(lǐng)域使用以來,超寬帶技術(shù)憑借高速率、低成本、抗多徑效應(yīng),一直是學(xué)者和工程師的研究熱點(diǎn)。

然而UWB通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)上卻存在各種各樣的困難,其中最為困難的就是接收機(jī)射頻前端的設(shè)計(jì)。LNA作為接收機(jī)射頻前端的關(guān)鍵部件,其噪聲系數(shù)對整個(gè)接收系統(tǒng)的噪聲影響很大、增益將決定對后級(jí)電路的噪聲抑制程度、線性度將對整個(gè)系統(tǒng)的線性度和共模噪聲抑制比產(chǎn)生重要影響。因此對LNA的設(shè)計(jì)基本要求有噪聲系數(shù)低、足夠的功率增益、工作穩(wěn)定性好、足夠的帶寬和大的動(dòng)態(tài)范圍。文獻(xiàn)[1-2]中的LNA是基于負(fù)反饋技術(shù)設(shè)計(jì)的,性能比較好,但是結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜,體積較大,不利于成本控制;文獻(xiàn)[3-4]都引入了電感,雖然克服了LNA增益低的問題,但卻引入了更大的噪聲;文獻(xiàn)[5]采用視頻數(shù)據(jù)法優(yōu)化LNA電路,解決了產(chǎn)品體積問題,但LNA的增益和噪聲參數(shù)都較差;文獻(xiàn)[6]中的兩級(jí)LNA的前后兩級(jí)頻率不同,這種方法擴(kuò)寬了帶寬,但是LNA增益太低,不能滿足當(dāng)前的需求。

1　LNA的設(shè)計(jì)

在放大器的設(shè)計(jì)中,匹配網(wǎng)絡(luò)不僅僅肩負(fù)著信號(hào)無損傳輸?shù)闹負(fù)?dān),它還可以改善放大器的噪聲系數(shù),擴(kuò)展帶寬。

為了更方便的估計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)的帶寬,這里引入節(jié)點(diǎn)的Q值,簡稱Qn。對于Π型、T型甚至更復(fù)雜的匹配網(wǎng)絡(luò)可以認(rèn)為匹配網(wǎng)絡(luò)的Q值等于節(jié)點(diǎn)Qn,對于圖1電路,設(shè)節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納為Q,則節(jié)點(diǎn)的Q值:

(1)

(2)

圖1　并聯(lián)諧振電路

對于圖2電路,設(shè)節(jié)點(diǎn)阻抗Zs=Rs+jXs,則節(jié)點(diǎn)Q值

(3)

(4)

由式(2)、式(4)可知匹配網(wǎng)絡(luò)Q值越高,反射系數(shù)越差,頻帶越窄,可以看出降低匹配網(wǎng)絡(luò)的Q值是設(shè)計(jì)好的LNA的重要任務(wù)。本文提出的基于新型匹配技術(shù)的LNA設(shè)計(jì),是利用反饋技術(shù)、偏置電路乃至匹配電路本身的優(yōu)化來降低匹配網(wǎng)絡(luò)的Q值,從而實(shí)現(xiàn)LNA的寬頻帶、低噪聲和高增益。

圖2　串聯(lián)諧振電路

1.1芯片選擇

設(shè)計(jì)的放大器要求的增益不低于23dB,由放大器設(shè)計(jì)知識(shí)可知,為保證放大器的穩(wěn)定工作,單級(jí)放大器的增益應(yīng)該不大于15dB,所以本設(shè)計(jì)采用二級(jí)放大以滿足設(shè)計(jì)所需增益。設(shè)計(jì)的噪聲系數(shù)要求小于1.8dB,考慮反饋電路會(huì)引入噪聲,PCB電路及制作工藝對電路的影響,還有頻率及增益的要求,本設(shè)計(jì)采用Infineon公司的晶體管BFP420,該晶體管適用于設(shè)計(jì)高增益LNA,在1.8GHz處的增益達(dá)到21dB,噪聲為1.1dB,可以滿足設(shè)計(jì)要求。

1.2偏置電路

本設(shè)計(jì)的中心頻率在2.0GHz,為了使高頻信號(hào)對偏置電路的影響達(dá)到最小,在分壓偏置電路的基礎(chǔ)上加以改進(jìn),加上LC電路,該電路不僅可以作為濾波電路,抑制高頻主電路信號(hào)串入直流通路,還可以微調(diào)LC器件改善電路的阻抗,達(dá)到降低匹配電路Q的目的。

圖3　偏置電路

電容C4、C5、C6都為去耦電容,依次取值為10 pF、1 nF、0.1 μF,他們不僅可以在很寬的頻率范圍內(nèi)降低電源對GND的阻抗,還可以濾除高頻噪聲。

1.3反饋電路

在超寬帶LNA的設(shè)計(jì)中,由于受到帶寬和增益的乘積為恒定常數(shù)的制約,必須犧牲部分增益以換得帶寬,所以超寬帶LNA必須用負(fù)反饋電路來達(dá)到這一目標(biāo)。而負(fù)反饋電路并不降低電路內(nèi)放大器的增益,所謂負(fù)反饋電路,就是將輸出電壓或者輸出電流返回到輸入部分,在外觀上減少自己本身的輸入電壓或者輸入電流來控制電路整體增益的電路。反饋回路不可避免的帶入了經(jīng)放大后的噪聲。

本設(shè)計(jì)考慮功率增益要求,需要采用二級(jí)放大電路,對于二級(jí)放大電路,電路的總噪聲:

(5)

由式(5)可以看出,電路噪聲關(guān)鍵取決于第1級(jí)網(wǎng)絡(luò)的噪聲和第1級(jí)網(wǎng)絡(luò)的功率增益。為盡可能的減小整個(gè)電路的噪聲,第1級(jí)放大器不加反饋網(wǎng)絡(luò),而在第2級(jí)放大器加上負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò),以達(dá)到擴(kuò)展帶寬、減小噪聲的目的。如圖4,反饋網(wǎng)絡(luò)中R4為反饋電阻,由仿真實(shí)驗(yàn)可知,反饋電阻越小,負(fù)反饋程度越大,同時(shí)噪聲越高,所以在反饋電阻的取值上還要綜合考慮噪聲和增益的問題。圖4中C7起到隔直流、通交流的作用。另外,負(fù)反饋的微調(diào)也能影響匹配網(wǎng)絡(luò)的Q值,有利于匹配電路的設(shè)計(jì)。

圖4　反饋電路

1.4匹配電路

超寬帶LNA的性能在很大程度上受電路輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的影響。匹配網(wǎng)絡(luò)就是將負(fù)載阻抗匹配到源阻抗以達(dá)到阻抗變換的過程。事實(shí)上,許多實(shí)際的匹配網(wǎng)絡(luò)不僅可以讓功率達(dá)到最大傳輸,還能改善噪聲系數(shù)、減小反射系數(shù)。

如圖5(Smith圓圖)所示,假定源阻抗為50 Ω,即圖中B點(diǎn),負(fù)載阻抗為J點(diǎn)。在Smith圓圖中,很清楚的看出J點(diǎn)Q值高達(dá)3.2(未在圖中標(biāo)出)。根據(jù)Q值理論,Q值越高,帶寬越窄,反射系數(shù)越大,將會(huì)導(dǎo)致電路的傳輸效率低、噪聲系數(shù)增大、難以實(shí)現(xiàn)寬頻帶。所以當(dāng)負(fù)載阻抗在J點(diǎn)時(shí),很難做出較好的寬頻匹配網(wǎng)絡(luò),這樣就需要調(diào)節(jié)負(fù)載阻抗,本文是通過微調(diào)偏置電路中的LC濾波電路和反饋電路來改善負(fù)載阻抗的。現(xiàn)在假定微調(diào)之后負(fù)載阻抗位于A點(diǎn),由圖中Q=0.8的曲線可知,A點(diǎn)的Q值小于0.8,所以A點(diǎn)是一個(gè)較為合適的匹配網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。在實(shí)際操作中,將A點(diǎn)匹配到B點(diǎn),有很多路徑,如何選擇性能好、成本低的電路就成為工程師首先要考慮的問題。

圖5　Smith圓圖

如圖6所示幾種最常見的匹配方式:

圖6(a)路徑所示網(wǎng)絡(luò)是由一個(gè)Π型網(wǎng)絡(luò)和一個(gè)L型網(wǎng)絡(luò)組合而成,網(wǎng)絡(luò)包含5個(gè)元器件,其中C1和L1構(gòu)成一個(gè)低通濾波器,而C2和L2構(gòu)成一個(gè)高通濾波器,所以圖6(a)路徑所示匹配網(wǎng)絡(luò)其實(shí)正是一個(gè)帶通濾波器,對于超寬帶LNA來說,這種匹配網(wǎng)絡(luò)不僅僅實(shí)現(xiàn)了電路功率的最大傳輸,同時(shí)濾除了帶外的高頻和低頻信號(hào),減少了帶外頻率引起的干擾。

圖6(b)路徑所示網(wǎng)絡(luò)跟圖6(a)差別不大,但圖6(b)是由2個(gè)低通濾波器組成,在實(shí)際效果中,對于帶外高頻信號(hào)的抑制明顯減弱,在可選擇圖6(a)的情況,顯然不使用圖6(b)。

圖6(c)路徑所示網(wǎng)絡(luò)比較簡單,是一個(gè)L型網(wǎng)絡(luò),只有2個(gè)元器件,且匹配網(wǎng)絡(luò)元件構(gòu)成一個(gè)低通濾波器,但是圖中G點(diǎn)的Q值達(dá)到1.8,由Q值理論可知,網(wǎng)絡(luò)的最大Q值的節(jié)點(diǎn)將會(huì)嚴(yán)重影響到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的Q值,所以圖6(c)匹配網(wǎng)絡(luò)的Q值過高,不利于匹配電路的設(shè)計(jì)。

圖6(d)路徑所示網(wǎng)絡(luò)最為簡單,路徑最短,但是不會(huì)對電路有任何改善,相反,電路中加入了電阻不可能實(shí)現(xiàn)無損耗匹配,電路功率損耗,同時(shí)會(huì)加大電路的噪聲,是幾個(gè)常見路徑中最差的匹配網(wǎng)絡(luò)。

由圖6(a)～6(d)比較得知,超寬帶LNA的匹配網(wǎng)絡(luò)路徑最好的為圖6(a),匹配網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成帶通濾波器,對帶外頻率有明顯抑制作用,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)Q值低,既降低了噪聲系數(shù),又易于實(shí)現(xiàn)放大器的帶寬擴(kuò)展,也就是本文提出的基于Q值的匹配技術(shù)的基本思想。

圖6　幾種常見的匹配路徑

由BFP420的Datasheet可知,將其設(shè)計(jì)為二級(jí)放大器,可以在一定程度上放松對電路功率增益的考慮,所以設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮電路的噪聲。由式(5)得知,第1級(jí)放大器的噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)將是整個(gè)系統(tǒng)噪聲優(yōu)化的關(guān)鍵,故本設(shè)計(jì)第1級(jí)放大器的設(shè)計(jì)應(yīng)以最小噪聲為重點(diǎn),而第2級(jí)放大器的設(shè)計(jì)以最大增益為重點(diǎn)。

最小噪聲匹配是以實(shí)現(xiàn)最小噪聲傳輸為目的而做出的匹配網(wǎng)絡(luò)。如圖7所示,將Γs1匹配到源阻抗或者將源阻抗匹配到Γs1就是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)中第1級(jí)放大器的最小噪聲匹配。而ADS軟件中,可以利用Zopt控件很容易就能計(jì)算出最小噪聲匹配阻抗Γs1,利用本文提出的基于Q值的匹配技術(shù)將源阻抗50 Ω匹配至Γs1即完成了第1級(jí)放大器的的前級(jí)匹配。

圖7　第1級(jí)放大器的前級(jí)匹配

級(jí)間匹配和第2級(jí)放大器的后級(jí)匹配均采用最大增益匹配,以保證整個(gè)LNA的增益。最大增益匹配以實(shí)現(xiàn)最大增益?zhèn)鬏敒槟康?理想的最大增益匹配網(wǎng)絡(luò)沒有反射,沒有功率損耗,只能構(gòu)建唯一的級(jí)間匹配網(wǎng)絡(luò),在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)里面,沒有電阻元件,任意節(jié)點(diǎn)都形成共軛匹配。在ADS軟件中,可以利用Zin控件計(jì)算出第2級(jí)放大器的輸出阻抗Γout2,如圖8所示,同樣利用基于Q值的匹配技術(shù)將Γout2匹配至50 Ω,完成第2級(jí)放大器的后級(jí)匹配。

圖8　第2級(jí)放大器的后級(jí)匹配

級(jí)間匹配是二級(jí)放大器設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一。常用的有2種方法:第1種是將第1級(jí)放大器的輸出阻抗Γout1匹配至50 Ω,同時(shí)將第2級(jí)放大器輸入阻抗Γin2也匹配至50 Ω,最后將2個(gè)單級(jí)放大器級(jí)聯(lián)起來,即完成了二級(jí)放大器的級(jí)間匹配;第2種方法是直接將Γout1匹配至Γin2,完成二級(jí)放大器的匹配。顯然第1種匹配方式思路簡單,但是是對資源的一種浪費(fèi),現(xiàn)在的射頻產(chǎn)品都在追求更小更廉價(jià),所以說這種匹配方式是不能接受的,而第2種匹配方式不會(huì)出現(xiàn)資源浪費(fèi)的問題,但是第2種方式若要實(shí)現(xiàn)無損耗匹配,只有唯一的一種匹配網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn),需要更豐富的LNA設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

1.5參數(shù)優(yōu)化

LNA的優(yōu)化是設(shè)計(jì)中的難點(diǎn),LNA的主要參數(shù)有帶寬、增益、紋波特性、駐波比、

噪聲系數(shù),通俗的講優(yōu)化就是產(chǎn)品各個(gè)參數(shù)間互相妥協(xié)的過程。在優(yōu)化過程中,要特別注意的是各個(gè)分立元件的取值,由于分立元件是有誤差的,為保證產(chǎn)品的可靠性能,分立元件的取值要越小越好。在優(yōu)化之后,還需要將放大器的Γs1、Γout1、Γin2、Γout2重新測量,保證各個(gè)節(jié)點(diǎn)都處于比較低的Q值,才能設(shè)計(jì)出性能最好的超寬帶LNA。

2　仿真結(jié)果與實(shí)物測試

本設(shè)計(jì)利用頻譜分析儀和信號(hào)源進(jìn)行測試,主要測試系統(tǒng)的增益,圖9為S參數(shù)仿真結(jié)果圖。圖10為實(shí)測平臺(tái)及中心頻率點(diǎn)的測試結(jié)果。利用頻譜分析儀對設(shè)計(jì)的LNA增益的測量結(jié)果如圖11所示。

圖9　S參數(shù)仿真結(jié)果

圖10　實(shí)測平臺(tái)及中心頻率點(diǎn)測試結(jié)果

圖11　實(shí)測LNA增益

由實(shí)測增益圖可知,與仿真數(shù)據(jù)相比較,實(shí)物測量的增益要低1 dB～2 dB,而且紋波特性相對較差。在某些頻點(diǎn),實(shí)物噪聲系數(shù)比仿真差一點(diǎn),完全在可允許范圍內(nèi),測量結(jié)果基本能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。經(jīng)分析可能有以下幾個(gè)方面的原因會(huì)造成實(shí)物測量與仿真結(jié)果的誤差:

(1)FR-4的材質(zhì)和工藝原因,對于設(shè)計(jì)的LNA,會(huì)帶來一定影響;

(2)晶體管的模型本身存在一定誤差,元器件的焊接帶來一定損耗;

(3)本設(shè)計(jì)使用分立元件,分立元件的誤差和高頻特性會(huì)影響電路性能;

(4)產(chǎn)品未安裝屏蔽盒,受到的電磁干擾相對復(fù)雜;

(5)頻譜分析儀測量的局限性,不能保證每次測量都在一個(gè)絕對相同的環(huán)境。

3　結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)和理論驗(yàn)證分析,提出了基于低Q值匹配技術(shù)的超寬帶低噪聲放大器設(shè)計(jì)方法,設(shè)計(jì)了一款性能好、體積小、低成本的超寬帶低噪聲放大器,該放大器在1.5 GHz～2.5 GHz范圍內(nèi),增益大于25 dB,紋波小于1 dB,噪聲系數(shù)小于1.8 dB,輸入反射系數(shù)小于-19 dB,輸出反射系數(shù)小于-18 dB,輸入輸出駐波比均小于2.2,可廣泛應(yīng)用于微波通信和軍事設(shè)備中。

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杜海明(1977-),男,漢族,河南靈寶人,鄭州輕工業(yè)學(xué)院,博士,碩士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)闊o線通信、UWB通信與信號(hào)檢測與信號(hào)處理主要研究方向信號(hào)檢測與信號(hào)處理,duhaiming-007@163.com;

仲繼生(1988-),男,漢族,河南新縣人,碩士生,研究方向?yàn)槌瑢拵漕l接收機(jī);

趙紅梅(1976-),女,漢族,河南輝縣人,鄭州輕工業(yè)學(xué)院,副教授,博士,碩士生導(dǎo)師。研究方向?yàn)槲⒉ㄉ漕l技術(shù)、超寬帶無線通信、微帶天線設(shè)計(jì),zhhm@zzuli.edu.cn。

DesignofUltraWidebandLowNoiseAmplifierBasedonLowQValueofMatchingNetwork*

DUHaiming*,ZHONGJisheng,ZHAOHongmei,CUIGuangzhao

(College of Electric and Information Engineering,Zhengzhou University of Light Industry,Zhengzhou 450002,China)

Abstract:A novel LNA(Low Noise Amplifier)is proposed by using low Q value of matching network.The LC filtering circuit is merged in biasing circuit in order to reduce the noise of system and to monitor the Q value of the matching network in the design;By choosing the suitable feedback loop to raise the bandwidth of the LNA and to adjust the Q value of the matching network;By taking advantage of the structure of matching circuit and the optimization of the Q value,a few problems of Amplifier is settled down,such as the narrow bandwidth,the high noise and the low gain.The LNA is measured under the bandwidth of 1.5 GHz～2.5 GHz,the ripple wave characteristic is lower than 1 dB,moreover the gain is 25 dB.The measured result is compared with the simulation result,it can be verified the design is reasonable.And the structure of the design method is simple and the performance is more superior,meanwhile the application is wide.

Key words:LNA;matching network;low Q value;ultra wideband

doi:EEACC:523010.3969/j.issn.1005-9490.2014.04.012

中圖分類號(hào):TN722.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1005-9490(2014)04-0635-05

收稿日期:2014-02-18修改日期:2014-03-16

項(xiàng)目來源:河南省科技廳基礎(chǔ)前沿研究項(xiàng)目(112300410144);鄭州市UWB實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)院士工作站建設(shè)項(xiàng)目(131PYSGZ211);河南省省院合作項(xiàng)目(122106000049)