王 林，王 軍，王丹丹

（西南科技大學 信息工程學院，四川 綿陽621010）

超寬帶低噪聲放大器的頻帶選擇性設計

王 林，王 軍，王丹丹

（西南科技大學 信息工程學院，四川 綿陽621010）

基于ADS和MATLAB平臺，設計一種新的具有頻帶選擇性的多諧振負載網(wǎng)絡，并構(gòu)建了一種具有頻帶選擇性的超寬帶低噪聲放大器，使之既能夠屏蔽來自授權(quán)頻帶WLAN信號的干擾又同時放大UWB的信號。在3.1 GHz～10.6 GHz的頻帶范圍內(nèi)對其仿真獲得結(jié)果為S11小于-10 dB，最大增益為20.23 dB，最小噪聲系數(shù)為4.25 dB以下。關(guān)鍵詞：多諧振負載網(wǎng)絡；頻帶選擇性；超寬帶；低噪聲放大器

0 引言

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展和廣泛應用，頻率的需求越來越高，帶寬也越來越寬，使得傳統(tǒng)的窄帶系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足大流量數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，因此寬帶無線通信電路設計成為研究熱點。2002年2月14日，美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）正式立法開放3.1～10.6 GHz頻段給UWB系統(tǒng)作免執(zhí)照使用。UWB技術(shù)具有發(fā)射功率較低、占空比低和抗干擾等特點，被應用在無線電話會議、無線短距離數(shù)據(jù)傳送等諸多領(lǐng)域[1-2]。然而在 FCC開放的頻譜中來自授權(quán)頻帶WLAN的信號對免執(zhí)照使用的頻段UWB存在很強的干擾。UWB信號是微弱信號(頻譜密度為-41.3 dBm/MHz)，可比擬噪聲甚至比一些噪聲的頻譜密度更低，所以UWB信號不會對WLAN信號產(chǎn)生明顯的影響[3]。考慮到這兩種無線局域網(wǎng)的使用區(qū)域出現(xiàn)交疊，致使UWB信號在5～6 GHz頻段內(nèi)完全被WLAN信號所淹沒的情況，許多文獻都進行了深入的研究。文獻[2]設計了一個帶阻濾波器來濾除WLAN信號，然而這種方法不僅要求整個通頻帶平坦度要好，濾波器在截止頻率處的衰減響應更加陡峭，而且濾波后產(chǎn)生極大損耗和相移。同樣使用多個LNA累疊的方式[4]，來放大各自頻段的UWB信號，這種方法不但增加了設計的工作量而且增加了成本。文獻[5]則是設計了多諧振負載網(wǎng)絡來實現(xiàn)整個頻帶的選擇性，在整個系統(tǒng)中實現(xiàn)了對WLAN信號的屏蔽。

對此，本文也采用這種實時放大與選擇的工作方式，對多諧振負載網(wǎng)絡進行更深入的研究與設計，提出更加優(yōu)良的多諧振負載網(wǎng)絡，實現(xiàn)優(yōu)于各文獻的頻帶選擇性。鑒于此，設計一種具有頻帶自主選擇性的超寬帶放大器[6-7]，使之既能屏蔽來自授權(quán)頻帶信號的干擾，又能同時放大 UWB下邊帶(3.1～5 GHz)及上邊帶(6～10.6 GHz)的信號，成為本文研究的重點，而能實現(xiàn)這種頻帶選擇性的多諧振負載網(wǎng)絡的設計更是本文工作的重要核心。

1 電路設計

整個電路的設計主要包括具有頻帶選擇性的多諧振負載網(wǎng)絡設計和放大器結(jié)構(gòu)設計兩個部分。

1.1 具有頻帶選擇性的多諧振負載網(wǎng)絡

本文通過對諧振特性的研究，設計了一種全新的具有頻帶選擇性的多諧振負載網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，如圖2所示，它能更好地屏蔽來自授權(quán)頻帶信號的干擾，又能通過UWB下邊帶和上邊帶信號。

圖1（a）、圖1（b）和圖1（c）分別展示了3種多諧振網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，這3種網(wǎng)絡均可實現(xiàn)頻帶選擇性。其中圖1(a)是文獻[5]提出的結(jié)構(gòu)，兩電容和兩電感簡潔而有效地實現(xiàn)了寬頻帶上的選擇特性；圖1(b)是文獻[8]提出的雙串聯(lián)雙并聯(lián)結(jié)構(gòu)，引入調(diào)諧電容C2作為網(wǎng)絡優(yōu)化元件，降低了多諧振網(wǎng)絡對高電感值的依賴，提升了多諧振網(wǎng)絡頻帶選擇性能。圖1(c)是本文所提出的結(jié)構(gòu)，引入調(diào)諧電容C1的雙串聯(lián)雙并聯(lián)結(jié)構(gòu)，不僅提升了頻帶選擇性能，而且更加強了對WLAN信號的屏蔽作用。

圖1 多諧振拓撲結(jié)構(gòu)

當頻率從低到高時，受到電感扼流作用的影響，阻抗值是不斷增加的。根據(jù)多諧振網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)，多諧振負載網(wǎng)絡總的阻抗為：

從式(1)可以看出，多諧振負載阻抗的分子項由角頻率的偶次項組成，分母由奇次諧波分量構(gòu)成。由于工作在吉赫茲頻段，為了能對信號產(chǎn)生調(diào)諧作用，電感和電容的量級確定為納亨級和皮法級。由此可知：

由于諧波分量次數(shù)越高其值越小，所以 Ztotal的分子值大于分母值，當且僅當f=5.5 GHz即為有約束條件的極值點：

當頻率為5 GHz和6 GHz處，阻抗值為10logZtotal=0 dB的間斷點，此時開始出現(xiàn)衰減特征。由此可知：

假設當 C2=C3時，可得 Ztotal，5GHz=Ztotal，6GHz。 工作在最高頻點10.6 GHz處，最大允許的負載網(wǎng)絡的損耗為 3 dB，即是：

可推導得C2＜2/(2π×10.6×109)=30 pF。

通過仿真軟件MATLAB進行編程仿真，C2初始值設定為30 pF。通過不斷降低 C2的值進行迭代運算，當 C2= 1.82 fF時，可得到本文提出的多諧振拓撲結(jié)構(gòu)的最佳選擇特性，這時 L1=0.355 nH，L2=0.25 nH，C1=0.55 pF，C3= 3.001 pF。

1.2 放大器結(jié)構(gòu)設計

超寬帶低噪聲放大器是UWB無線接收機中的一個重要的模塊，它必須在很寬的頻帶范圍里提供足夠高的增益和引入盡可能小的噪聲，因此選擇一個良好的電路拓撲結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)其性能要求是很重要的[9]。

電感源極負反饋結(jié)構(gòu)其實采用的是共源極的放大電路，它是低噪聲放大器很常用的一種電路[10]。本文采用電感源極負反饋的共源共柵結(jié)構(gòu)，同時引入電流復用結(jié)構(gòu)，構(gòu)建出完整的頻帶選擇性的超寬帶放大電路，如圖2所示。在M1源極引入一串聯(lián)電感，此電感在較高品質(zhì)因數(shù)下幾乎不引入噪聲。在工作頻率內(nèi)，加載在M1柵極的電感與MOS管的等效電路中的輸入回路中的電容恰好形成諧振，可實現(xiàn)輸入阻抗匹配。由于兩個晶體管M1和M2在同一條偏置電路上，電流的功耗即為原來的一半，因為高頻信號首先全部從晶體管M1的柵極流入，從晶體管M1的漏極流出時分為兩路，一路經(jīng)過電容C6再流入晶體管M2，再最終從晶體管M2的漏極流出，另外一路高頻信號經(jīng)過電感L4和電容C7到地。

圖2 寬帶低噪聲放大器

2 仿真結(jié)果分析

基于ADS仿真平臺，將多諧振網(wǎng)絡搭載到ADS軟件下，調(diào)用S參數(shù)仿真器，在超寬頻段內(nèi)對幅頻、相頻以及網(wǎng)絡特性上作出仿真，結(jié)果如圖3所示。點線代表圖1(a)提出的電路結(jié)構(gòu)，長虛線表示圖1(b)電路結(jié)構(gòu)，長實線表示圖1(c)電路結(jié)構(gòu)。圖3(a)展示出本文提出的多諧振網(wǎng)絡的優(yōu)勢，干擾信號的衰減性強，上下邊頻擁有非常平坦的導通特性。圖3(b)展示了多諧振網(wǎng)絡的相位特性，本文提出的結(jié)構(gòu)在WLAN信號的中心頻率點5.5 GHz處的相頻特性相差達到了89.725°，較之圖1(a)和圖1(b)多諧振網(wǎng)絡能更好地使來自WLAN的干擾信號發(fā)生正交化，干擾信號就很容易被后續(xù)的相位鑒頻器檢查出來，從而更好地實現(xiàn)相頻上的選擇特性。圖3(c)表現(xiàn)了多諧振網(wǎng)絡的群延時特性，上下邊頻群延時都保持在同一數(shù)量級上，而在WLAN頻帶里則產(chǎn)生高量級的延遲，體現(xiàn)了頻帶選擇網(wǎng)絡對載波包絡良好的選擇性。

圖3 多諧振負載網(wǎng)絡的特性圖

基于0.18 μm CMOS工藝利用ADS仿真軟件對整個頻帶選擇性的低噪聲放大電路進行仿真，其結(jié)果如圖4所示。其圖4(a)顯示了放大器的放大性能，也很好地反映出多諧振網(wǎng)絡對無用信號的選頻能力。上下通頻帶內(nèi)，放大電路的增益超過10 dB，并對無用信號的幅度衰減也達到-20 dB。圖4(b)為電路最小噪聲系數(shù)隨頻率的變化關(guān)系，可以看出電路噪聲性能良好，最小噪聲系數(shù)小于4.25 dB。

圖4 寬帶低噪聲放大器關(guān)鍵指標仿真結(jié)果

由表1中的參考數(shù)據(jù)可以說明：由于采用了無源LC輸入匹配網(wǎng)絡和電流復用結(jié)構(gòu)，本電路的結(jié)構(gòu)與參考文獻相比較在其他性能參數(shù)略有缺憾的條件下具有工作帶寬大、增益大、噪聲較低、功耗較低的優(yōu)點。

表1 超寬帶低噪聲放大器結(jié)果比較

3 結(jié)論

本文論述了一種具有頻帶選擇性的超寬帶低噪聲放大器的設計，提出新的多諧振負載選頻網(wǎng)絡以及引入電感源極負反饋的放大電路結(jié)構(gòu)，最終使得放大電路在噪聲和功率傳輸下都獲得了良好的性能。仿真結(jié)果表明：在 3.1 GHz～10.6 GHz頻帶內(nèi)，穩(wěn)定性良好，S11小于-10 dB，最大功率傳輸增益為 20.23 dB，最小噪聲系數(shù)在4.25 dB以下。同時與其他文獻結(jié)果比較，該結(jié)構(gòu)具有工作帶寬大、功耗較低、面積省、增益大等優(yōu)點，具有應用價值。

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Frequency selective design of ultra wideband low noise amplifier

Wang Lin，Wang Jun，Wang Dandan
(College of Information Engineering，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，China)

The paper designed a new multi-resonant load network with frequency selective and built a kind of self-selective ultra wideband low noise amplifier that could filter out WLAN interferers while amplifying the UWB signals.In the 3.1～10.6 GHz band it has following simulation results：an input reflection of less than-10 dB,a peak gain of 20.23 dB,minimum noise figure of less than 4.25 dB.

multi-resonant load network；frequency selective；UWB；low noise amplifier

TN772

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.11.004

王林，王軍，王丹丹.超寬帶低噪聲放大器的頻帶選擇性設計[J].電子技術(shù)應用，2016，42(11)：22-24，28.

英文引用格式：Wang Lin，Wang Jun，Wang Dandan.Frequency selective design of ultra wideband low noise amplifier[J].Application of Electronic Technique，2016，42(11)：22-24，28.

2016-05-26)

王林（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向：射頻電路設計、40納米MOSFET建模。

王軍（1970-），通信作者，男，教授，主要研究方向：射頻電路設計、微弱隨機信號處理，E-mail：junwang@swust. edu.cn。

王丹丹（1989-），男，碩士研究生，主要研究方向：射頻集成電路設計。