王麗，沈一鳴

(1.淮南師范學(xué)院電子工程學(xué)院，安徽 淮南 232038；2.南京潤(rùn)眾科技有限公司，江蘇 南京 210000)

0 引言

當(dāng)今，人們要求通信系統(tǒng)的功率輻射要盡量小，通信距離要足夠遠(yuǎn)，通信覆蓋面要廣.為了滿足人們的這些需求就要不斷提高通信系統(tǒng)的接收靈敏度.當(dāng)通信系統(tǒng)的帶寬和信噪比確定后，噪聲系數(shù)NF對(duì)系統(tǒng)的靈敏度起到了決定性的作用[1-2].低噪聲放大器的設(shè)計(jì)在整個(gè)無(wú)線通信接收系統(tǒng)中是很重要的，它是提高接收靈敏度的關(guān)鍵手段之一[3].低噪放大器的主要作用是放大天線接收來(lái)的微弱信號(hào)，通過(guò)電路匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)降低噪聲系數(shù)，減小噪聲干擾，確保系統(tǒng)能正確解調(diào)出所需的信息數(shù)據(jù)[4-5].因此，對(duì)低噪放大器的匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是本文中低噪聲功率放大器MBC13720電路設(shè)計(jì)要解決的關(guān)鍵問(wèn)題.本研究在ADS仿真軟件中對(duì)MBC 13720器件的S參數(shù)建模仿真，并對(duì)電路進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)匹配，不斷優(yōu)化電路，最終仿真數(shù)據(jù)表明對(duì)MBC13720低噪聲放大電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)有效、可行.

1 MBC13720器件的雙端口網(wǎng)絡(luò)模型與S參數(shù)

由于在射頻波段終端短路或者斷路時(shí)會(huì)有反射波，再采用電壓和電流表示各種參量的方法不再適宜，甚至可能引起器件損壞的振蕩[6].因此設(shè)法使電路輸出功率保持不變，找到匹配的終端負(fù)載，根據(jù)參考面上歸一化的入射波電壓與歸一化的反射波電壓之間的關(guān)系導(dǎo)出散射參量和傳輸參量更方便應(yīng)用[7].散射參量S 參數(shù)就是利用入射波和反射波來(lái)定義網(wǎng)絡(luò)的輸入、輸出關(guān)系，可以避開(kāi)不現(xiàn)實(shí)的終端條件以及器件損壞，因此S參數(shù)在射頻電路設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用[8].

在如圖1所示的雙端口網(wǎng)絡(luò)模型中[9]，設(shè)an表示第n個(gè)端口的歸一化入射波電壓，bn表示第n個(gè)端口的歸一化反射波電壓，它們與同端口的電壓Un的關(guān)系為：

其中Z0是連接在網(wǎng)絡(luò)輸入、輸出端口的傳輸線特征阻抗.

圖1 雙端口網(wǎng)絡(luò)模型S參數(shù)

假設(shè)網(wǎng)絡(luò)是線性的，a與b有著線性的關(guān)系，則雙端口網(wǎng)絡(luò)為：

下面對(duì)MBC13720低噪聲放大器的S參數(shù)進(jìn)行仿真，通過(guò)不斷優(yōu)化電路的匹配網(wǎng)絡(luò)，最終實(shí)現(xiàn)低噪聲放大電路的噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì).

2 低噪聲放大電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真

在供電電壓Vcc=3.3 V，靜態(tài)偏置電流Icc=5 mA的條件下，對(duì)MBC13720低噪聲放大器的S參數(shù)進(jìn)行仿真，主要研究在900 MHz的頻段下各個(gè)S參數(shù)的值.圖2是在ADS環(huán)境下建立的 MBC13 720雙端口模型.分別在輸入和輸出端口連接50 Ω的等效電阻，仿真的頻段范圍設(shè)置為300 MHz到3 GHz，步長(zhǎng)設(shè)置為100 MHz.

圖2 未加匹配的雙端口網(wǎng)絡(luò)模型

對(duì)圖2中的MBC13 720雙端口模型進(jìn)行S參數(shù)仿真，仿真出的噪聲系數(shù)曲線如圖 3所示.整個(gè)電路的噪聲系數(shù)nf(2)與最小噪聲系數(shù)NFmin在900 MHz處相差0.107 dB.且整個(gè)電路的噪聲系數(shù)nf(2)與最小噪聲系數(shù)NFmin的曲線沒(méi)有重合的趨勢(shì)，也就是說(shuō)噪聲系數(shù)nf(2)無(wú)法接近最小噪聲系數(shù)NFmin.

圖3 未加匹配的噪聲系數(shù)

從圖4可以看出在900 MHz頻率下S參數(shù)的4個(gè)散射參數(shù)：S11=-5.15 dB，S12=-26.021 dB，S21=16.201 dB，S22=-2.907 dB.其中端口2的反射系數(shù)和端口2到端口1的反射傳輸系數(shù)均為負(fù)值，正向傳輸增益為16.201 dB，符合低噪聲功率放大器的一般性能指標(biāo).

圖4 未加匹配的S參數(shù)仿真曲線

對(duì)于低噪聲放大器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，首要考慮的設(shè)計(jì)目標(biāo)是盡量降低噪聲系數(shù)，電路的噪聲系數(shù)直接取決于其輸入電路的匹配，輸出電路的匹配只是影響電路的增益.圖5是通過(guò)電感L1、L2和電容C1、C2對(duì)電路的輸入端進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)匹配，其中C1起到了隔直的作用，L1起到了提高放大管穩(wěn)定性的作用，通過(guò)電感L3和電容C3對(duì)電路的輸出端進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)匹配，其中C3起到了隔直的作用，L3起到了扼流的作用，R1起到了提高放大管穩(wěn)定性和限流的作用.電路經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，反復(fù)仿真并不斷調(diào)整各項(xiàng)參數(shù)，最終得到優(yōu)化后的噪聲系數(shù)如圖6所示，S參數(shù)特性曲線如圖7所示.

圖5 優(yōu)化的MBC13720低噪聲放大器電路

通過(guò)對(duì)輸入和輸出電路進(jìn)行匹配后，整個(gè)頻帶的噪聲系數(shù)nf(2)如圖6所示.與未匹配前的電路噪聲系數(shù)曲線圖3相比，圖6所示的噪聲系數(shù)曲線在900 MHz附近已經(jīng)達(dá)到了優(yōu)化，噪聲系數(shù)nf(2)與最小噪聲系數(shù)NFmin在900 MHz處相差0.073 dB，且噪聲系數(shù)nf(2)在大于900 MHz的頻帶內(nèi)呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，在大于2 GHz的頻帶內(nèi)約等于最小噪聲系數(shù)NFmin.

圖6 優(yōu)化后的噪聲系數(shù)

從圖7可以看出在900 MHz頻率下的4個(gè)散射參數(shù)：S11=-14.998 dB，S12=-24.584 dB，S21=17.637 dB，S22=-4.057 dB.與圖4中未加匹配的S參數(shù)相比較，端口1的反射系數(shù)S11下降了約 9 dB，端口1的反射系數(shù)有了明顯的改善.正向傳輸增益和端口 2的反射系數(shù)也有了較好的變化，正向傳輸增益S21提高了約1 dB，端口 2的反射系數(shù)S22下降了約 1 dB.

圖7 優(yōu)化后的S參數(shù)仿真曲線

3 結(jié)論

在仿真軟件ADS中建立MBC13720低噪聲放大器的雙端口網(wǎng)絡(luò)模型，設(shè)計(jì)輸入和輸出匹配電路，對(duì)電路進(jìn)行S參數(shù)仿真，并不斷優(yōu)化電路，最終得到在900 MHz頻率下的S參數(shù)分別為:S11=-14.998 dB，S12=-24.584 dB，S21=17.637 dB，S22=-4.057 dB.從S參數(shù)可以看出反射系數(shù)、正向傳輸增益還是反向傳輸系數(shù)都能滿足射頻前端電路的特性要求，且整個(gè)頻帶的噪聲系數(shù)nf(2)在900 MHz附近已經(jīng)達(dá)到了優(yōu)化，并在大于900 MHz的頻帶內(nèi)呈下降趨勢(shì)，下降到約等于最小噪聲系數(shù)NFmin.