應(yīng)用于GNSS全頻段的低噪聲放大器設(shè)計

馬雨生，朱宗玖

(安徽理工大學電氣與信息工程學院，安徽淮南，232001)

0 引言

隨著衛(wèi)星導航技術(shù)的不斷發(fā)展，包括美國GPS、中國BeiDou二代、俄羅斯GLONASS、歐洲Galileo等衛(wèi)星導航系統(tǒng)的得到廣泛使用[1]。四大衛(wèi)星導航系統(tǒng)信號頻率各不相同，但都集中在1164-1610MHz頻段，因此覆蓋整個系統(tǒng)頻段的前端設(shè)計應(yīng)用成為了重要的研究方向。低噪聲放大器作為射頻通信系統(tǒng)的關(guān)鍵前端器件，主要是放大接收的微弱信號，并抑制噪聲干擾，其低噪聲性能也直接影響整個接收系統(tǒng)的靈敏度。本文設(shè)計低噪聲放大器工作頻段1400±250MHz，可覆蓋GNSS全頻段，應(yīng)用于導航系統(tǒng)的接收機。

1 LNA設(shè)計的關(guān)鍵因素

低噪聲放大器位于整個射頻通信系統(tǒng)的最前端，對系統(tǒng)性能影響較大，在較低的噪聲系數(shù)成為系統(tǒng)的基本要求，但是低噪聲要求與穩(wěn)定性及其增益等性能相沖突，因此設(shè)計過程中需要綜合考慮噪聲系數(shù)、增益、穩(wěn)定性、反射系數(shù)、平坦度等主要性能做出折中處理。

1.1 噪聲系數(shù)

雙端口網(wǎng)絡(luò)輸入信號信噪比與輸出信號信噪比的比值定義為噪聲系數(shù)F[2]。實際中單級放大器的噪聲系數(shù)公式可表示為：

其中，F(xiàn)min是晶體管的最小噪聲系數(shù)；Rn表示晶體管等效噪聲電阻；Гopt表示最佳源反射系數(shù)，ГS表示輸入端的源反射系數(shù)。一般Fmin、Rn、Гopt為已知數(shù)，可以通過調(diào)整ГS來改變噪聲系數(shù)，且ГS=Гopt時，噪聲系數(shù)最小F=Fmin。

1.2 穩(wěn)定性

射頻電路在某些工作頻率和終端條件下有產(chǎn)生振蕩的趨勢，破環(huán)放大器的正常工作，因此穩(wěn)定性成為低噪聲放大器設(shè)計的關(guān)鍵因素之一[3]。本文設(shè)計使用負反饋結(jié)構(gòu)，在極端情況下會產(chǎn)生自激振蕩。為了避免振蕩，放大器必須工作在絕對穩(wěn)定狀態(tài)下。絕對穩(wěn)定條件可用穩(wěn)定性因子k（沃爾特因子）來描述：

當同時滿足k＞1和|Δ|＜1時，放大器處于絕對穩(wěn)定狀態(tài)，其中Si j為兩端口網(wǎng)絡(luò)S參數(shù)。

1.3 匹配網(wǎng)絡(luò)

匹配網(wǎng)絡(luò)是波源與負載之間插入的無源網(wǎng)絡(luò)，使負載阻抗和波源阻抗相匹配，從而實現(xiàn)最大功率傳輸。同時還有減小噪聲干擾，提高功率容量和改善線性度等功能[4]。通常最小噪聲系數(shù)與最大增益之間相互沖突，所有設(shè)計過程中需要折中考慮調(diào)諧匹配電路。同時考慮到集中參數(shù)元件在高頻段的寄生參數(shù)效應(yīng)，本文使用微帶線來實現(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò)。

1.4 負反饋電路

本設(shè)計的放大器電路采用負反饋結(jié)構(gòu)如圖1所示，分別是源極串聯(lián)負反饋和柵極與漏極間并聯(lián)負反饋。其中源極串聯(lián)電感負反饋[5]可以提高放大器的穩(wěn)定性，縮小最佳噪聲阻抗和輸入阻抗的差異，便于在進行最小噪聲和最大增益間協(xié)調(diào)工作。

圖1 負反饋網(wǎng)絡(luò)

漏極與柵極并聯(lián)負反饋[6]。反饋電阻Rf決定了反饋網(wǎng)絡(luò)的增益和帶寬。電感Lf通過抵消部分耦合的輸出信號，從而增大低頻段的反饋強度，且減小高頻段的反饋強度，提高高頻段增益，實現(xiàn)寬帶放大，同時改善穩(wěn)定性。電容Cf在隔斷直流的同時可以調(diào)節(jié)電容值的大小來調(diào)整反饋強度。

2 整體電路仿真設(shè)計

設(shè)計目標：工作頻段：1400±250MHz；增益：大于16dB；輸入輸出反射系數(shù)：小于-10dB；噪聲系數(shù)：小于0.6dB；增益平坦度：小于1dB。

（1）直流偏置電路。查閱ATF54143 datasheet[7]確定靜態(tài)工作點 Vds=3V，Ids=60mA，使用 ADS仿真控件“DA_FETBias”可計算出直流偏置電路中R1=33Ω，R2=222Ω，R3=28Ω。同時添加扼流電感L1、L2及旁路電容C1、C2組成射頻扼流電路，切斷射頻信號對直流偏置電路的影響；添加電容C3、C4隔斷直流，使直流偏置信號不能傳到輸入輸出端口。

（2）匹配電路。利用ADS Smith圓圖匹配工具DA_SmithChartMatch調(diào)諧輸入輸出匹配[8]。綜合考慮增益、噪聲系數(shù)、反射系數(shù)等因素，使用控件Tuning進行微調(diào)得到合適的微帶線尺寸。

圖2 LNA整體電路圖

（3）負反饋電路。源極串聯(lián)電感LS經(jīng)過反復調(diào)諧，確定電感值為0.7nH可在工作頻段內(nèi)保持穩(wěn)定。但較小稍微的改變對電路的穩(wěn)定性影響很大，并且實際電路中分立元件和焊接等不確定因素有著很大影響，所以使用感性微帶線代替。柵極與漏極間并聯(lián)RLC電路，為了實現(xiàn)較大的增益，需要選擇較大的電阻，經(jīng)過大量仿真優(yōu)化，確定Rf=390Ω，Lf=38nH，Cf=4.5nF。經(jīng)過大量的優(yōu)化，低噪聲放大器整體電路如圖2所示。

仿真結(jié)果如下圖所示，在整個GNSS頻段內(nèi)，穩(wěn)定性均大于1，放大器處于絕對穩(wěn)定狀態(tài)，噪聲系數(shù)小于0.6dB，增益達到16dB，輸入輸出反射系數(shù)均小于-10dB，增益平坦度小于1dB，滿足設(shè)計要求。

圖3 輸入反射系數(shù)S11

圖4 輸出反射系數(shù)S22

圖5 噪聲系數(shù)NF

圖6 穩(wěn)定性StabFact

圖7 增益S21

3 結(jié)論

本文設(shè)計了低噪聲放大器工作頻段覆蓋整個GNSS頻段，使用單級放大負反饋結(jié)構(gòu)，通過ADS軟件進行仿真優(yōu)化，并對結(jié)果進行分析，滿足設(shè)計要求。

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