基于新型雙頻匹配電路的雙頻低噪聲放大器設(shè)計(jì)

余云忠+周可籍+何建成+劉永飄+江鵬

【摘 要】為提高現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)的頻譜利用率，降低系統(tǒng)成本，對(duì)雙頻低噪聲放大器進(jìn)行了深入研究，提出一種利用新型雙頻匹配結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)雙頻低噪聲放大器的方法。這種雙頻匹配結(jié)構(gòu)由實(shí)阻抗雙頻變換器和雙枝節(jié)線結(jié)構(gòu)雙頻匹配電路組成，雙枝節(jié)線結(jié)構(gòu)雙頻匹配電路能夠?qū)崿F(xiàn)雙頻點(diǎn)復(fù)阻抗到實(shí)阻抗的匹配，實(shí)阻抗雙頻變換器能夠?qū)崿F(xiàn)兩個(gè)頻段上的實(shí)阻抗匹配。仿真結(jié)果表明這種方法設(shè)計(jì)的雙頻低噪聲放大器電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、性能優(yōu)良且易于加工，兩個(gè)中心頻率可任意選擇，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】雙頻 低噪聲 匹配 傳輸線 阻抗變換

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2016.20.017 中圖分類號(hào)：TN722.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-1010（2016）20-0088-04

1 引言

低噪聲放大器作為無(wú)線通信系統(tǒng)中的重要模塊之一，在現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)中的射頻前端扮演著重要的角色，其性能的好壞將直接影響到通信系統(tǒng)的指標(biāo)參數(shù)。特別是小型化、低成本、高性能的雙頻低噪聲放大器的設(shè)計(jì)越來(lái)越受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的重視。

目前雙頻低噪聲放大器的設(shè)計(jì)方法大概可以分為三種：第一種方法是采用兩個(gè)頻段獨(dú)立信號(hào)通路并聯(lián)結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)了一種工作在2.4 GHz和5.6 GHz的并聯(lián)雙通道低噪聲放大器，輸入端通過(guò)開(kāi)關(guān)選擇通道，兩個(gè)通道可以獨(dú)立工作，電路匹配可以單獨(dú)設(shè)計(jì)，互不影響，電路性能較好，但增加了功耗和成本。第二種方法是開(kāi)關(guān)切換電路諧振網(wǎng)絡(luò)，文獻(xiàn)[2]利用三個(gè)NMOS開(kāi)關(guān)來(lái)控制輸入和輸出匹配，保證在兩個(gè)頻段上正常工作。這種方法共用諧振網(wǎng)絡(luò)，使用開(kāi)關(guān)切換，控制方法靈活，改變頻點(diǎn)方式簡(jiǎn)單，同時(shí)也降低了成本，但是引入MOS管開(kāi)關(guān)的寄生參數(shù)會(huì)降低諧振回路的品質(zhì)因素，使電路性能下降。第三種方法是采用多頻點(diǎn)輸入輸出匹配結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)[3]采用多頻點(diǎn)匹配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了2.4 GHz、3.5 GHz、5.2 GHz的三頻段低噪聲放大器。文獻(xiàn)[4]利用一種高階諧振網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了雙頻輸入輸出匹配結(jié)構(gòu)放大器。第三種方法設(shè)計(jì)的放大器具有功耗低、成本低廉、電路性能優(yōu)良等特點(diǎn)，不過(guò)設(shè)計(jì)過(guò)程會(huì)相對(duì)復(fù)雜。

本文主要采用一種新型的雙頻點(diǎn)輸入輸出匹配結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種雙頻低噪聲放大器。該雙頻點(diǎn)匹配結(jié)構(gòu)是利用傳輸線變換原理將放大器的輸入/輸出阻抗分別在兩個(gè)頻段上變換為導(dǎo)納的實(shí)部相等，然后采用并聯(lián)分支線結(jié)構(gòu)將兩個(gè)頻段的導(dǎo)納的虛部匹配為零，最后再通過(guò)雙頻實(shí)阻抗匹配實(shí)現(xiàn)兩個(gè)頻段上的匹配。

2 基于微帶線的雙頻段實(shí)阻抗變換設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)[5]提出了一種由兩段微帶線組成的雙頻阻抗變換器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。第一段微帶線特性阻抗為Z1，長(zhǎng)度為l1，第二段微帶線特性阻抗為Z2，長(zhǎng)度為l2，Zin1為從第二段微帶線輸入端到負(fù)載的輸入阻抗，Zin為從第一段微帶線輸入端到負(fù)載的輸入阻抗。

這種設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單易行，版圖設(shè)計(jì)也很簡(jiǎn)單，但是只有在負(fù)載為純電阻時(shí)才能達(dá)到完美的匹配效果，因此不能直接用于低噪聲放大器的匹配電路。通過(guò)雙枝節(jié)匹配電路將低噪聲放大器的輸入輸出阻抗匹配到實(shí)阻抗，再通過(guò)雙頻阻抗變換器進(jìn)行匹配。

3 雙枝節(jié)線的雙頻匹配電路

由于雙枝節(jié)線結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)雙頻點(diǎn)復(fù)阻抗到實(shí)阻抗的匹配，因此雙枝節(jié)線匹配可以結(jié)合雙頻實(shí)阻抗變換器來(lái)實(shí)現(xiàn)低噪聲放大器的雙頻匹配。其結(jié)構(gòu)如圖2所示：

負(fù)載Zx經(jīng)過(guò)微帶線Za后，其阻抗會(huì)發(fā)生變化，假設(shè)變化后兩個(gè)頻點(diǎn)f1和f2處的導(dǎo)納分別為：

4 雙頻低噪聲放大器設(shè)計(jì)

基于以上原理分析，最終將實(shí)現(xiàn)雙頻復(fù)阻抗當(dāng)實(shí)阻抗變換的雙枝節(jié)線結(jié)構(gòu)和雙頻實(shí)阻抗變換器級(jí)聯(lián)起來(lái)使用，如圖3所示：

晶體管選擇英飛凌公司的BFP740，偏置點(diǎn)選擇Vce=3 V，Ic=6 mA，此時(shí)噪聲系數(shù)最小。輸入匹配用最小噪聲系數(shù)匹配，輸出匹配用最大輸出功率匹配，輸入輸出阻抗如表1所示：

通過(guò)以上分析，在ADS中對(duì)雙頻低噪聲放大器電路進(jìn)行建模和仿真，所采用的介質(zhì)基板為Rogers 4003，其介電常數(shù)為3.55，厚度為0.508 mm。

經(jīng)過(guò)優(yōu)化調(diào)試，得到雙頻低噪聲放大器的S參數(shù)仿真結(jié)果，增益仿真結(jié)果如圖4（a）所示，在2.3 GHz和3.5 GHz頻點(diǎn)處增益分別為16.5 dB和13.2 dB，回波損耗和反向隔離度仿真結(jié)果如圖4（b）所示。

噪聲系數(shù)仿真結(jié)果如圖5所示，在頻點(diǎn)2.3 GHz和3.5 GHz處的噪聲系數(shù)分別為0.57和0.73，幾乎等于晶體管的最小噪聲系數(shù)，可以看出晶體管在這兩個(gè)頻點(diǎn)處滿足最小噪聲系數(shù)匹配。

增益與輸入功率的關(guān)系仿真結(jié)果如圖6所示，圖6（a）為輸入信號(hào)頻率為2.3 GHz時(shí)，輸出功率與輸入功率的關(guān)系曲線圖，信號(hào)的線性增益為16.5 dB，當(dāng)輸入信號(hào)功率為-11 dBm時(shí)，輸出功率達(dá)到1 dB壓縮點(diǎn)。圖6（b）為輸入信號(hào)頻率為3.5 GHz時(shí)，輸出功率與輸入功率的關(guān)系曲線圖，信號(hào)的線性增益為13.2 dB，當(dāng)輸入信號(hào)功率為-7 dBm時(shí)，輸出功率達(dá)到1 dB壓縮點(diǎn)。

5 結(jié)論

本文通過(guò)結(jié)合傳輸線原理，分析了實(shí)阻抗雙頻變換器和雙枝節(jié)線結(jié)構(gòu)雙頻匹配電路的工作原理和設(shè)計(jì)方法。在此基礎(chǔ)上提出將實(shí)阻抗變換器和雙枝節(jié)線結(jié)構(gòu)雙頻匹配電路級(jí)聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)任意阻抗的雙頻點(diǎn)匹配，并將此雙頻匹配結(jié)構(gòu)應(yīng)用于低噪聲放大器電路的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出工作在2.3 GHz和3.5 GHz的雙頻低噪聲放大器。該低噪聲放大器在2.3 GHz頻點(diǎn)處的增益為16.5 dB，S11小于-14 dB，S22小于-12 dB，噪聲系數(shù)為0.57，P1dB點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸出功率為4.5 dBm。在3.5 GHz頻點(diǎn)處增益為13.2 dB，S11小于-17 dB，S22小于-10 dB，噪聲系數(shù)為0.73，P1dB點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸出功率為5.3 dBm。用這種方法設(shè)計(jì)的雙頻低噪聲放大器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、性能優(yōu)良且易于加工，兩個(gè)中心頻率可任意選擇，設(shè)計(jì)方式靈活，因此該雙頻低噪聲放大器能夠滿足多頻段多協(xié)議接收機(jī)的需求，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

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