薛亞芬，肖鵬程，張榮福

(1.上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093；2.復(fù)旦大學(xué) 專用集成電路與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200120)

一種24 GHz低噪聲放大器的設(shè)計(jì)

薛亞芬1，肖鵬程2，張榮福1

(1.上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093；2.復(fù)旦大學(xué) 專用集成電路與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200120)

在汽車防撞雷達(dá)接收系統(tǒng)中，為提高整個(gè)接收機(jī)的性能，當(dāng)確定了低噪聲放大器的性能指標(biāo)后，在ADS軟件的基礎(chǔ)上，采用贗配高電子遷移率的晶體管VMMK-1225設(shè)計(jì)了工作頻率為24 GHz的低噪聲放大器。仿真結(jié)果表明，在24 GHz頻率處，放大器的噪聲系數(shù)<2 dB，增益>9 dB，穩(wěn)定系數(shù)>1，輸入與輸出電壓駐波比都<2。最后利用Cadence軟件進(jìn)行版圖設(shè)計(jì)并給出了實(shí)測結(jié)果。該放大器可應(yīng)用于雷達(dá)接收系統(tǒng)、汽車導(dǎo)航系統(tǒng)和防撞系統(tǒng)等領(lǐng)域。

低噪聲放大器；ADS；噪聲系數(shù)；增益；穩(wěn)定系數(shù)

在車載防撞雷達(dá)中，接收系統(tǒng)、發(fā)射系統(tǒng)和天線是其重要的組成部分。雷達(dá)射頻前端接收系統(tǒng)中，為使微弱的接收信號適合信道處理，在信號進(jìn)入處理單元前要進(jìn)行增益放大和噪聲減小，此功能由低噪聲放大器來實(shí)現(xiàn)，低噪聲放大器的性能影響著系統(tǒng)的特性和靈敏程度。就目前發(fā)展來看，低噪聲放大器已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、電子對抗和通信等領(lǐng)域[1]。

放大器有多種特性，低噪聲放大器的主要特性是功率增益、噪聲系數(shù)、穩(wěn)定性、輸入輸出駐波比等[2]。在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)著重減小第一級放大器的噪聲系數(shù)，且注意放大器的增益、工作頻帶、輸出功率等指標(biāo)。考慮到成本和噪聲性能，使用三端口晶體管。Agilent公司的ADS功能強(qiáng)大、應(yīng)用范圍較廣，且LNA(Low Noise Amplifier)仿真效果良好，所以選擇ADS軟件來完成設(shè)計(jì)。

1 低噪聲放大器原理

放大器的FET組態(tài)有很多類型，其中共源組態(tài)具有高增益、低噪聲和最好的穩(wěn)定性等良好的特性，所以采用共源極結(jié)構(gòu)。低噪聲放大器設(shè)計(jì)應(yīng)在增加信號電平的同時(shí)，使信噪比的惡化為最小。在增益比較高的場合，可以采用多級聯(lián)放大器結(jié)構(gòu)，此時(shí)，電路的總噪聲系數(shù)[3]為

(1)

由式(1)可知，當(dāng)前級電路網(wǎng)絡(luò)的增益足夠大時(shí)，第一級網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)NF1對系統(tǒng)的總噪聲系數(shù)NF起著決定性的作用[4]。在此次設(shè)計(jì)中，由于低噪聲放大器的增益要求不高，所以采用單級電路結(jié)構(gòu)。

2 低噪聲放大器電路設(shè)計(jì)

2.1 偏置網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)晶體管的放大功能，合適的直流靜態(tài)工作點(diǎn)使其工作在線性區(qū)域，即選擇合理的柵源電壓和漏源電壓，此電路由直流偏置電路來實(shí)現(xiàn)。在放大器設(shè)計(jì)中，晶體管需要有良好的噪聲性能，且工作頻段需滿足在24 GHz以上，對比可得，AVAGO公司提供的型號為VMMK-1225的贗配高電子遷移率(pHEMT)晶體管可以滿足要求，其工作頻率可達(dá)26 GHz，噪聲系數(shù)NF最小到0.8 dB，晶體管的S參數(shù)可以參考其Datasheet[5]。

利用合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，選取適宜的直流偏置電路。一種方式是直接采用兩個(gè)電源來實(shí)現(xiàn)，但由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需額外增加兩個(gè)電源，最終選用單電源偏置方式，通過3個(gè)電阻進(jìn)行分壓，實(shí)現(xiàn)柵極和漏極為正偏壓，而源極直接接地。為使直流偏置信號能傳輸?shù)骄w管的引腳，射頻信號不能進(jìn)入直流通路，需要在放大器的直流通路和交流通路之間添加一個(gè)無源低通濾波器，實(shí)際就是一個(gè)電感加一個(gè)旁路電容。由于設(shè)計(jì)的工作頻帶比較高，選擇采用1/4波長高阻抗線的形式來實(shí)現(xiàn)，高阻抗微帶線的阻抗約為105 Ω，線寬約為0.16 mm。

本文選取外加電壓為+5 V，在經(jīng)過直流仿真后，最終選定靜態(tài)工作點(diǎn)為柵源電壓2.0 V，漏源電壓0.7 V，采用的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖2的仿真結(jié)果表明，在頻率24 GHz處，最大增益可達(dá)13 dB。

圖1 直流偏置電路原理圖

圖2 偏置電路仿真結(jié)果

2.2 穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

放大器的穩(wěn)定性決定放大器的工作狀態(tài)，則需確定放大器在哪些條件下是穩(wěn)定的，可以用S參數(shù)來檢驗(yàn)。由S參數(shù)得到穩(wěn)定性因子K的意義在于：當(dāng)K>1時(shí)，對所有信號源和負(fù)載終端，F(xiàn)ET是穩(wěn)定的。以穩(wěn)定性因子為依據(jù)，根據(jù)晶體管直流偏置點(diǎn)下的S2P文件，在ADS軟件的仿真環(huán)境下，得到在24 GHz頻段處，穩(wěn)定系數(shù)K>1，說明該放大器芯片在頻帶內(nèi)是穩(wěn)定的，滿足設(shè)計(jì)要求。因此，不需要在晶體管的源極或者電路中添加負(fù)反饋來提高放大電路的穩(wěn)定性。此時(shí)，晶體管正常工作。

2.3 匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

匹配網(wǎng)絡(luò)主要實(shí)現(xiàn)放大器在指定的頻率范圍內(nèi)滿足低噪聲系數(shù)、高增益和低駐波比等性能要求。在匹配電路設(shè)計(jì)中，由于是單級結(jié)構(gòu)，只設(shè)計(jì)晶體管的輸入匹配網(wǎng)絡(luò)和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)。

在放大器的性能指標(biāo)中，當(dāng)最大增益與噪聲系數(shù)發(fā)生沖突時(shí)，必須在這兩者之間作一個(gè)權(quán)衡和綜合考慮。低噪聲放大器優(yōu)先考慮最小噪聲，所以，選擇一個(gè)合適的輸入匹配網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)最小噪聲系數(shù)。匹配參數(shù)可以通過噪聲系數(shù)圓和增益圓來設(shè)計(jì)。

輸出匹配電路是為了滿足增益要求，實(shí)現(xiàn)最大增益匹配，可以運(yùn)用最佳功率匹配方法來實(shí)現(xiàn)。選取合適的輸入輸出阻抗之后，通過史密斯圓圖，匹配網(wǎng)絡(luò)采用T型微帶分支線結(jié)構(gòu)，且分支線為終端開路型。在輸入輸出端口添加電容實(shí)現(xiàn)隔直功能，但由于工作頻率比較高，寄生參數(shù)無法確定，所以在輸入輸出端口采用耦合微帶線代替差值電容。

3 電路仿真與測試

3.1 仿真結(jié)果

通過不斷調(diào)整和優(yōu)化，聯(lián)合仿真得到的電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。仿真結(jié)果如圖4所示，低噪聲放大器工作在24～24.2 GHz頻帶內(nèi)，噪聲系數(shù)約為1.913 dB，增益為9.452 dB，輸入輸出駐波比分別約為1.91和1.86。

圖3 低噪聲放大器原理圖

圖4 仿真結(jié)果

3.2 測試結(jié)果

經(jīng)過上述仿真設(shè)計(jì)，選用羅杰斯4350B板材制作了PCB電路板，介電常數(shù)3.66，板厚為1 mm，電路板實(shí)物如圖5所示。選用Aligent E8363C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試放大器的 參數(shù)，測試結(jié)果如圖6～圖8所示。在24.02 GHz處，增益約為5 dB，輸入輸出回波損耗均<-10 dB。

圖5 LNA硬件照片

圖6 增益測試結(jié)果

圖7 輸入回波損耗測試結(jié)果

圖8 輸出回波損耗測試結(jié)果

4 結(jié)束語

本文通過ADS軟件建立電路原理圖結(jié)構(gòu)，經(jīng)過不斷調(diào)試和優(yōu)化仿真，該放大器的工作頻率為24～24.2 GHz，增益約為9 dB，噪聲系數(shù)<2 dB，輸入輸出回波損耗均<-13 dB。實(shí)測得到增益約為5 dB，輸入輸出回波損耗均<-10 dB，增益偏小可能與加工精度、寄生參數(shù)有關(guān)，后期仍需進(jìn)行分析驗(yàn)證，但基本滿足接收組件系統(tǒng)的要求，具有實(shí)用價(jià)值。

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[2] 宋惠軒.24 GHz車載雷達(dá)射頻前端設(shè)計(jì)[D].西安:西安電子科技大學(xué),2014.

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Design of a 24 GHz Low Noise Amplifier

XUE Yafen1，XIAO Pengcheng2，ZHANG Rongfu1

(1.School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093, China; 2.State Key Laboratory of ASIC and System, Fudan University, Shanghai 200120, China)

In the automotive anti-collision radar system, the Low Noise Amplifier (LNA) is in the forefront of the receiver. After the determination of the performance index of the LNA, a design of the 24 LNA is implemented based on the high electron mobility transistor VMMK-1225 with the ADS software. The simulation results show that the NF of the amplifier is less than 2 dB, with the gain greater than 9 dB, stability factor greater than 1, and the input and output voltage standing wave ratio (VSWR) less than 2. This LNA is drawn by Cadence. The final test data is also provided. The amplifier can be used in the radar receiving system, car navigation and collision avoidance system.

low noise amplifier; ADS; noise figure; gain; stability factor

2016- 06- 12

薛亞芬(1991-)，女，碩士研究生。研究方向：汽車防撞雷達(dá)射頻前端技術(shù)。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.05.025

TN722.3

A

1007-7820(2017)05-091-03