基于新型雙頻匹配電路的雙頻低噪聲放大器設計

余云忠+周可籍+何建成+劉永飄+江鵬

【摘 要】為提高現代無線通信系統的頻譜利用率，降低系統成本，對雙頻低噪聲放大器進行了深入研究，提出一種利用新型雙頻匹配結構來設計雙頻低噪聲放大器的方法。這種雙頻匹配結構由實阻抗雙頻變換器和雙枝節線結構雙頻匹配電路組成，雙枝節線結構雙頻匹配電路能夠實現雙頻點復阻抗到實阻抗的匹配，實阻抗雙頻變換器能夠實現兩個頻段上的實阻抗匹配。仿真結果表明這種方法設計的雙頻低噪聲放大器電路結構簡單、成本低廉、性能優良且易于加工，兩個中心頻率可任意選擇，具有較高的實用價值。

【關鍵詞】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：TN722.3 文獻標志碼：A 文章編號：1006-1010（2016）20-0088-04

1 引言

低噪聲放大器作為無線通信系統中的重要模塊之一，在現代無線通信系統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的指標參數。特別是小型化、低成本、高性能的雙頻低噪聲放大器的設計越來越受到學術界和工業界的重視。

目前雙頻低噪聲放大器的設計方法大概可以分為三種：第一種方法是采用兩個頻段獨立信號通路并聯結構，文獻[1]設計了一種工作在2.4 GHz和5.6 GHz的并聯雙通道低噪聲放大器，輸入端通過開關選擇通道，兩個通道可以獨立工作，電路匹配可以單獨設計，互不影響，電路性能較好，但增加了功耗和成本。第二種方法是開關切換電路諧振網絡，文獻[2]利用三個NMOS開關來控制輸入和輸出匹配，保證在兩個頻段上正常工作。這種方法共用諧振網絡，使用開關切換，控制方法靈活，改變頻點方式簡單，同時也降低了成本，但是引入MOS管開關的寄生參數會降低諧振回路的品質因素，使電路性能下降。第三種方法是采用多頻點輸入輸出匹配結構，文獻[3]采用多頻點匹配結構設計實現了2.4 GHz、3.5 GHz、5.2 GHz的三頻段低噪聲放大器。文獻[4]利用一種高階諧振網絡設計了雙頻輸入輸出匹配結構放大器。第三種方法設計的放大器具有功耗低、成本低廉、電路性能優良等特點，不過設計過程會相對復雜。

本文主要采用一種新型的雙頻點輸入輸出匹配結構，設計了一種雙頻低噪聲放大器。該雙頻點匹配結構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頻段上變換為導納的實部相等，然后采用并聯分支線結構將兩個頻段的導納的虛部匹配為零，最后再通過雙頻實阻抗匹配實現兩個頻段上的匹配。

2 基于微帶線的雙頻段實阻抗變換設計

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

這種設計方法簡單易行，版圖設計也很簡單，但是只有在負載為純電阻時才能達到完美的匹配效果，因此不能直接用于低噪聲放大器的匹配電路。通過雙枝節匹配電路將低噪聲放大器的輸入輸出阻抗匹配到實阻抗，再通過雙頻阻抗變換器進行匹配。

3 雙枝節線的雙頻匹配電路

由于雙枝節線結構能夠實現雙頻點復阻抗到實阻抗的匹配，因此雙枝節線匹配可以結合雙頻實阻抗變換器來實現低噪聲放大器的雙頻匹配。其結構如圖2所示：

負載Zx經過微帶線Za后，其阻抗會發生變化，假設變化后兩個頻點f1和f2處的導納分別為：

4 雙頻低噪聲放大器設計

基于以上原理分析，最終將實現雙頻復阻抗當實阻抗變換的雙枝節線結構和雙頻實阻抗變換器級聯起來使用，如圖3所示：

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

通過以上分析，在ADS中對雙頻低噪聲放大器電路進行建模和仿真，所采用的介質基板為Rogers 4003，其介電常數為3.55，厚度為0.508 mm。

經過優化調試，得到雙頻低噪聲放大器的S參數仿真結果，增益仿真結果如圖4（a）所示，在2.3 GHz和3.5 GHz頻點處增益分別為16.5 dB和13.2 dB，回波損耗和反向隔離度仿真結果如圖4（b）所示。

噪聲系數仿真結果如圖5所示，在頻點2.3 GHz和3.5 GHz處的噪聲系數分別為0.57和0.73，幾乎等于晶體管的最小噪聲系數，可以看出晶體管在這兩個頻點處滿足最小噪聲系數匹配。

增益與輸入功率的關系仿真結果如圖6所示，圖6（a）為輸入信號頻率為2.3 GHz時，輸出功率與輸入功率的關系曲線圖，信號的線性增益為16.5 dB，當輸入信號功率為-11 dBm時，輸出功率達到1 dB壓縮點。圖6（b）為輸入信號頻率為3.5 GHz時，輸出功率與輸入功率的關系曲線圖，信號的線性增益為13.2 dB，當輸入信號功率為-7 dBm時，輸出功率達到1 dB壓縮點。

5 結論

本文通過結合傳輸線原理，分析了實阻抗雙頻變換器和雙枝節線結構雙頻匹配電路的工作原理和設計方法。在此基礎上提出將實阻抗變換器和雙枝節線結構雙頻匹配電路級聯來實現任意阻抗的雙頻點匹配，并將此雙頻匹配結構應用于低噪聲放大器電路的設計，設計出工作在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頻點處的增益為16.5 dB，S11小于-14 dB，S22小于-12 dB，噪聲系數為0.57，P1dB點對應的輸出功率為4.5 dBm。在3.5 GHz頻點處增益為13.2 dB，S11小于-17 dB，S22小于-10 dB，噪聲系數為0.73，P1dB點對應的輸出功率為5.3 dBm。用這種方法設計的雙頻低噪聲放大器結構簡單、成本低廉、性能優良且易于加工，兩個中心頻率可任意選擇，設計方式靈活，因此該雙頻低噪聲放大器能夠滿足多頻段多協議接收機的需求，具有較高的實用價值。

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