ISM頻段射頻放大的小信號分析*

(西安郵電學院 電子與信息工程系，西安 710121)

1 引 言

在無線通信領域，由于ISM頻段全球無需許可證，現在物聯網RFID、無線局域網(WLAN)、藍牙(Bluetooth)和紫蜂(ZigBee)等均工作在2.4 GHz的ISM頻段。隨著無線通信技術的不斷發展，ISM頻段射頻前端技術已經成為通信和電子領域的一項關鍵技術[1-2]。小信號放大作為射頻電路的核心內容，是值得深入研究的課題。小信號放大在無線接收系統中處于射頻前端，主要作用是在低噪聲前提下放大接收到的微弱信號，射頻放大的小信號分析對整個接收系統至關重要。但是，目前對小信號放大的研究主要集中在給定指標下射頻電路的設計[3-4]，缺乏對各項參數變化規律的研究。本文在失配受限的前提下分析了增益、穩定性和噪聲系數的變化規律，給出了提高小信號放大綜合性能的方法，這對射頻小信號放大是非常實際的問題。

本文首先分析了射頻小信號放大的設計理論，然后對小信號放大的參數進行分析，給出了單項參數達到最優的條件，提出了各項參數的變化規律，給出了仿真曲線和仿真結果分析，為改善小信號放大器的綜合性能提出了一種新的途徑。

2 射頻小信號放大器

射頻小信號放大器的一般框圖如圖1所示，在射頻源與晶體管之間有輸入匹配網絡(IMN)，在晶體管與負載之間有輸出匹配網絡(OMN)，放大器根據技術指標確定匹配網絡的物理結構和電參數，匹配網絡可以由分布參數、混合參數或集總參數元件構成[5-6]。

圖1 射頻前端小信號放大器的框圖

射頻小信號放大器需要考慮穩定性，穩定性是指放大器抑制環境的變化(如信號頻率、溫度、源和負載等變化時)。維持正常工作特性的能力，可以用圖解法或解析法判定放大器的穩定性，解析法是計算穩定性因子。

射頻放大器的轉換功率增益為

GT=GSG0GL

(1)

對小信號放大器來說，噪聲的存在對整個設計有重要影響，在低噪聲的前提下對信號進行放大是對放大器的基本要求。

信源與晶體管之間及晶體管與負載之間的失配程度用輸入和輸出電壓駐波比來描述，很多情況下放大器的駐波比必須保持在特定指標之下。放大器的輸入和輸出電壓駐波比為

(2)

式中，M為源或負載的失配因子。

3 參數分析方法

本文在復平面上利用圓圖對小信號放大器的參數進行分析，指出增益、駐波比和噪聲多個性能參數不能同時達到最優，給出了單項參數達到最優的條件，提出了提高小信號放大器綜合性能的方法。

3.1 單項參數的分析

噪聲系數僅與輸入匹配網絡有關。噪聲系數可以表示為

(3)

當源的反射系數ΓS=Γopt時，F=Fmin，噪聲系數最小。

駐波比與輸入和輸出匹配網絡均有關，是源失配因子和負載源失配因子的函數。放大器輸入和輸出反射系數與源和負載失配因子的關系為

(4)

(5)

3.2 多個參數的綜合分析

采用圓圖圖解的方法設計放大器，步驟如下：

(1)在復平面畫出等增益曲線。當晶體管單向時，輸入匹配網絡的等效增益和輸出匹配網絡的等效增益無關，輸入匹配網絡的等增益曲線為

(6)

輸入等增益曲線為圓，增益值越大圓半徑越小，最大增益時等增益圓半徑為零。輸出匹配網絡的等增益曲線同樣也是一個圓。分配輸入和輸出匹配網絡的有效增益，然后在史密斯圓圖上給出等增益曲線，在等增益曲線上選反射系數，進而確定在復平面上的位置；

(2)噪聲系數僅與輸入匹配網絡有關，在復平面等噪聲曲線的方程為

(7)

等噪聲系數曲線為圓，噪聲系數越大圓的半徑越大，噪聲系數最小時在史密斯圓圖上縮為一個點。在等噪聲系數曲線內選源反射系數，并注意選點落在等增益曲線上；

(3)計算穩定性因子；

(4)計算輸入與輸出駐波比；

(5)若輸入與輸出駐波比以及穩定性因子不滿足指標要求，重復步驟2、3和4以滿足指標要求；

(6)當復平面上反射系數的位置確定后，確定電路結構。

4 仿真結果

4.1 晶體管的參數

晶體管采用hp-AT32011，在設計放大器時，首先需要對晶體管的參數進行仿真，晶體管AT32011的S參數仿真曲線如圖2所示，仿真曲線的頻率范圍為100 MHz～5.1 GHz。在2.4 GHz時，晶體管的S11=0.480∠176°，表明輸入端匹配很差；dB(S12)=-18.862，表明單向性較好；dB(S21)=6.769，這是晶體管的增益，放大器的增益還需計入輸入和輸出匹配網絡的等效增益；S22=0.540∠-57°，表明輸出端匹配較差。對噪聲系數仿真，在2.4 GHz晶體管的噪聲系數為2.047。

4.2 放大電路的構成

采用單支節匹配網絡，微帶線基板的厚度為0.8 mm，基板的相對介電常數為4.3，基板的相對磁導率為1，基板的損耗角正切為0.001，微帶線導體層的厚度為0.03 mm，導體的電導率為5.88E+7，微帶線表面粗糙度為0 mm。同時添加輸入和輸出匹配網絡，放大電路如圖3所示。

4.3 仿真結果

在本文的仿真中，放大器的中心頻率為2.43 GHz，帶寬為6 MHz，系統的特性阻抗為50 Ω。在3種狀態下進行仿真，這3種狀態放大器的失配不同，在中心頻率處，第一種狀態的輸入駐波比選為1.941，第二種狀態的輸入駐波比選為1.570，第三種狀態的輸入駐波比選為1.376。放大器增益仿真曲線如圖4所示，標記m1、m2和m3所在的增益曲線分別對應第一種、第二種和第三種失配狀態。放大器噪聲系數仿真曲線如圖5所示，標記m4、m5和m6所在的噪聲系數曲線分別對應第一種、第二種和第三種失配狀態。放大器穩定性因子仿真曲線如圖6所示，標記m7、m8和m9所在的穩定性因子曲線分別對應第一種、第二種和第三種失配狀態。

圖2 晶體管的S參數

圖3 單支節匹配的放大電路

圖4 放大器的增益

圖6 放大器的穩定性因子

本文的研究結果如下：

(1)本文在失配受限的前提下分析了小信號放大各項參數的變化規律，失配狀態通過輸入駐波比來表示，駐波比越大失配越大。本文考察了3種失配狀態，第一種狀態輸入端匹配最差、失配最大，第三種狀態輸入端匹配最好、失配最小；

(2)在3種失配的狀態下，對增益和噪聲系數進行仿真。由圖4可以看出，放大器的增益與失配有關，失配越小增益越大。由圖5可以看出，噪聲系數也與失配有關，失配越小噪聲系數越大。增益與噪聲系數是小信號放大的兩個重要參數，上述仿真的結果說明兩者的變化趨勢相反，兩者的參數不能同時達到最優。失配也是小信號放大的一個重要參數，上述仿真的結果還說明，失配與增益的變化趨勢相同，失配與噪聲系數的變化趨勢相反；

(3)由于反射波的存在，射頻放大在某些終端條件或工作頻率有產生振蕩的傾向，射頻放大器需要考慮穩定性。由圖6可以看出，在3種失配狀態下，放大器均絕對穩定，說明小信號時放大器容易保持穩定性。穩定性可以用穩定性因子來表示，仿真結果還說明失配越小穩定性越高；

(4)由上述仿真結果可以看出，在設計小信號放大器時，可以根據給定的某一設計指標，仿真其它參數的變化范圍，由此判斷器件選取正確與否，并能在選定器件后提高小信號放大的綜合性能；

(5)現在對小信號放大的研究，主要集中在給定指標下射頻電路的結構設計，缺乏對各項參數變化規律的研究。本文分析了失配、增益、穩定性和噪聲系數的變化規律，對小信號放大的設計具有普遍指導意義。

5 結 論

本文對ISM頻段射頻放大的小信號特性進行了分析，給出了一種ISM頻段射頻放大的實現途徑，提出了提高放大器綜合性能的設計方法。通過在復平面上利用圓圖對小信號放大器的參數進行分析，得到了各項參數的變化規律。仿真結果表明，匹配網絡同時對駐波比、增益、噪聲系數和穩定性因子有影響，失配與增益的變化趨勢相同，失配與噪聲系數的變化趨勢相反，小信號時放大器容易保持穩定，失配越小穩定性越高。目前對小信號放大的研究偏重于射頻電路的結構設計，缺乏對各項參數變化規律的研究，本文的研究結果對提高小信號放大的綜合性具有指導作用。在研究小信號放大時，如果將射頻電路的結構尺寸、實現難易與各項參數的變化規律結合起來研究，將更具實際意義，這將是下一步的研究工作。

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