顏克文 吳趙兵 俞森吉 何 昕 劉 亮

(廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司 廣州 510663)

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一款寬帶低噪聲放大器模塊的設(shè)計*

顏克文 吳趙兵 俞森吉 何 昕 劉 亮

(廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司 廣州 510663)

低噪聲放大器是接收機(jī)系統(tǒng)中極其重要的一部分,論文設(shè)計的低噪聲放大器模塊采用兩級級聯(lián)的甲類放大器形式,輸入和輸出端采用傳輸線變壓器進(jìn)行阻抗匹配,使得設(shè)計的放大器模塊具有低噪聲系數(shù)的同時也具有寬帶特性,具有重要的參考意義。

低噪聲; 放大器模塊; 寬帶; 噪聲系數(shù)

Class Number TN72

1 引言

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,減少噪聲干擾,以供系統(tǒng)解調(diào)出所需要的數(shù)據(jù),當(dāng)今,人們對各種無線通信工具的要求越來越高,如功率輻射要小、作用距離要遠(yuǎn)、覆蓋范圍要廣等,這對系統(tǒng)的接收靈敏度提出了很高的要求[1],系統(tǒng)靈敏度的計算公式為

Smin=-114(dBm/Hz)+NF+10LogBW(MHz)

+S/N(dB)

從公式中可以看出,一旦系統(tǒng)帶寬BW和信噪比S/N確定了,對系統(tǒng)的靈敏度起決定性作用的只有噪聲系數(shù)NF,參考多級級聯(lián)放大器的噪聲系數(shù)公式:

NF=NF1+(NF2-1)/G1+(NF3-1)/G1G2+…

從上面噪聲系數(shù)的公式也能明顯地看出,第一級放大器的噪聲在整個接收機(jī)系統(tǒng)中處于重要地位。所以,低噪聲放大器的設(shè)計對整個系統(tǒng)是很重要的,而且是提高靈敏度的關(guān)鍵手段之一。

2 低噪聲放大器的主要技術(shù)指標(biāo)

低噪放放大器電路的技術(shù)指標(biāo)包括:頻率范圍、增益、噪聲系數(shù)、端口反射系數(shù)、三階互調(diào)等,下面簡單介紹主要技術(shù)指標(biāo)和相互關(guān)系。

2.1 噪聲系數(shù)NF

放大器的噪聲系數(shù)NF定義如下:

NF=(Sin/Nin)/(Sout/Nout)

Sin,Nin分別為輸入端的信號功率和噪聲功率;Sout,Nout分別為輸出端的信號功率和噪聲功率。噪聲系數(shù)的物理含義是,信號經(jīng)過放大器之后,由于放大器產(chǎn)生噪聲,使得信噪比變壞,信噪比下降的倍數(shù)就是噪聲系數(shù)[1]。

2.2 放大器的增益G

增益通常定義為傳輸給負(fù)載的平均功率與信號源的最大資用功率之比:

G=PL/PS

通常情況下,低噪聲放大器都是按照噪聲最佳匹配情況下的增益進(jìn)行設(shè)計的,噪聲最佳匹配點并非就是最大增益點,因此增益G要下降。

2.3 增益、噪聲和動態(tài)范圍之間的關(guān)系

接收系統(tǒng)增益確定之后,就要對增益進(jìn)行分配。增益分配首先要考慮接收機(jī)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)。一般情況下,低噪聲放大器的增益比較高,以減少放大器之后的器件或者模塊對系統(tǒng)的噪聲影響。但是,低噪聲放大器的增益又不能太高,太高則會影響后級混頻器的失真和接收機(jī)的動態(tài)范圍。

3 阻抗匹配的基本原理

阻抗匹配的概念是射頻電路設(shè)計中最基本的概念之一,貫穿射頻電路設(shè)計始終,阻抗匹配就意味著源傳遞給負(fù)載最大的射頻功率,換言之,要實現(xiàn)最大的功率傳輸,必須使負(fù)載阻抗與源阻抗想匹配。然而,它們的功能并不僅限于實現(xiàn)理想功率傳輸而在源和負(fù)載之間進(jìn)行阻抗匹配。事實上,許多實際的匹配網(wǎng)絡(luò)并不是僅僅為了減少功率損耗而設(shè)計的,它們還具有其他功能,比如減少噪聲干擾、提高功率容量和提高頻率響應(yīng)的線性度等。通常認(rèn)為,匹配網(wǎng)絡(luò)的用途就是實現(xiàn)阻抗匹配,就是將給定的阻抗變換成其他更加合適的阻抗值。

3.1 阻抗匹配的考慮因素

1) 簡單性:選擇通過簡單的電路實現(xiàn)匹配,可以使用更少的器件,減少損耗并降低成本,提高了可靠性。 2) 頻帶寬度:也就是匹配電路中的Q值,通常匹配電路的頻帶越寬,成本也會越高。 3) 電路種類:在實現(xiàn)一個匹配網(wǎng)絡(luò)時,需要考慮匹配網(wǎng)絡(luò)使用傳輸線的種類,然后確定使用匹配電路的種類。 4) 調(diào)節(jié)性:如果負(fù)載發(fā)生變化,匹配網(wǎng)絡(luò)需要相應(yīng)地調(diào)整來達(dá)到匹配的要求[2]。

3.2 阻抗匹配的電路種類和構(gòu)成

在放大器的設(shè)計中常用的匹配電路有:集總元件匹配電路、微帶線匹配電路和傳輸線變壓器阻抗變換匹配電路等。

采用LC分立元器件集總參數(shù)元器件阻抗匹配網(wǎng)絡(luò),這種網(wǎng)絡(luò)容易分析,并可以在1GHz頻段的低端及更低的頻段使用;采用微帶線和微帶線等分布參數(shù)元器件實現(xiàn)的匹配網(wǎng)絡(luò),這種網(wǎng)絡(luò)特別適合于工作在1GHz以上頻段,以及對電路垂直方向尺度有特殊要求的場合。傳輸線變壓器是一種寬帶阻抗匹配變換網(wǎng)絡(luò),有其固定的特性阻抗Zo,當(dāng)Zo與負(fù)載電阻RL相等時,電磁波信號在傳輸線變壓器上呈行波狀態(tài)。當(dāng)傳輸線的長度小于傳輸信號的λ/8時,可以近似認(rèn)為電磁波在傳輸線上相位不變。傳輸線變壓器的應(yīng)用可分為兩種:平衡與不平衡阻抗變換和特定比值的阻抗變換,常用于源和負(fù)載阻抗相差較大之間的阻抗匹配。同軸電纜變換器-合成器又稱“巴倫”,這種變換器廣泛地應(yīng)用在寬帶大功率放大器中,特別在VHF和UHF波段[3～7]。

4 常見晶體管放大電路的形式

常規(guī)晶體管放大電路采用共射電路的輸入和輸出,其阻抗居中,電壓增益和電流增益較大;共集電路的輸入阻抗最高,輸出阻抗最低,電壓增益小而接近1,輸出和輸入信號相位相同,即有跟隨作用;共基電路的輸入阻抗相對較低,輸出阻抗最高,高頻性能較好,同時也具有相對較大的隔離度,所以多用于寬帶放大器和高頻振蕩器,本文采用共基放大電路的形式[8～10]。

5 寬帶低噪聲放大器模塊設(shè)計

本文設(shè)計的寬帶低噪聲放大器電路選取甲類級聯(lián)放大電路進(jìn)行設(shè)計,使用寬的電壓供電,使用相對較大的直流功耗換取較好的非線性特性,保證很好的動態(tài)范圍;輸入端變壓器和輸出端變壓器實現(xiàn)對電路進(jìn)行增益控制和阻抗匹配;前級和后級放大電路采用共基極放大形式,增加了模塊輸入和輸出端的隔離度。采用BFP196W放大管,BFP196W是一款低噪聲,低失真寬帶NPN硅晶體管,轉(zhuǎn)換頻率高達(dá)7.5GHz。前級放大電路采用兩個BFP196W并聯(lián)放大,后級放大電路采用4個BFP196W并聯(lián)放大的形式,多個放大管級聯(lián)放大的形式使得系統(tǒng)更加的穩(wěn)定可靠。為了有效地控制低噪放模塊的增益,中間級可根據(jù)需要設(shè)計衰減網(wǎng)絡(luò),調(diào)節(jié)低噪放模塊總的增益。功能框圖如圖1所示。

圖1 低噪聲放大器模塊框圖

采用ADS微波仿真軟件對低噪放電路進(jìn)行仿真,仿真的模型圖如圖2所示,仿真的S參數(shù)結(jié)果和低噪放穩(wěn)定性系數(shù)如圖3,噪聲系數(shù)仿真結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出,在2MHz～50MHz范圍內(nèi),增益大于12dB,穩(wěn)定系數(shù)在全頻段均大于1,說明低噪放電路是穩(wěn)定的,噪聲系數(shù)在2MHz頻點為1.4dB,5MHz～50MHz的范圍內(nèi)噪聲系數(shù)小于1dB,較好地滿足了設(shè)計要求。

圖2 低噪放電路仿真模型圖

圖3 S參數(shù)和穩(wěn)定性系數(shù)仿真結(jié)果圖

圖4 低噪放電路模塊噪聲系數(shù)仿真結(jié)果圖

圖5和表1給出了設(shè)計的低噪放電路模塊實際調(diào)試測試結(jié)果,從圖5S參數(shù)的測試結(jié)果可以看出,低噪放電路模塊的增益在2MHz～50MHz范圍內(nèi)大于13.5dB,反射系數(shù)S11和S22均小于-14dB,從表1可以看出在2MHz～50MHz范圍內(nèi),低噪放電路模塊實測的噪聲系數(shù)小于1.2,很好的滿足了設(shè)計要求。低噪放電路模塊實物圖如圖6所示。

圖5 低噪放電路模塊實際S參數(shù)測試結(jié)果圖

序號頻點(MHz)噪聲系數(shù)NF(dB)121．152151．103351．064451．055501．10

圖6 低噪放電路模塊實物圖

6 結(jié)語

論文闡述了低噪聲放大器在接收機(jī)系統(tǒng)中的重要性,介紹了低噪聲放大器電路的主要技術(shù)指標(biāo)、阻抗匹配的基本原理以及不同晶體管放大形式的特點。并設(shè)計了一款寬帶低噪聲放大器模塊,低噪聲放大器模塊增益在2MHz～50MHz的頻率范圍內(nèi),增益大于13.5dB,反射系數(shù)小于-14dB,噪聲系數(shù)小于1.2dB,其設(shè)計思想具有重要指導(dǎo)和參考意義。

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Design of A Broadband Low Noise Amplifier Module

YAN Kewen WU Zhaobing YU Senji HE Xin LIU Liang

(Guangzhou Haige Communications Industry Group Co., Ltd, Guangzhou 510663)

Low noise amplifier is an extremely important part of the receiver system. In this paper, a kind of low noise amplifier i researched, which uses class a amplifier form with two cascaded, input and output impedance matching by using a transmission line transformer make the low noise amplifier module with low noise coefficient and also has wideband characteristic. This paper has the important reference significance.

low noise, amplifier module, broadband, noise figure

2014年9月3日,

2014年10月26日

顏克文,男,碩士,工程師,研究方向:射頻電路設(shè)計。吳趙兵,男,碩士,工程師,研究方向:工業(yè)設(shè)計。俞森吉,男,碩士,工程師,研究方向:射頻電路設(shè)計。何昕,男,碩士,工程師,研究方向:通信系統(tǒng)設(shè)計。劉亮,男,碩士,工程師,研究方向:數(shù)字硬件設(shè)計。

TN72

10.3969/j.issn1672-9730.2015.03.041