基于ADS仿真的數字對講機LNA設計

陳 超， 張育釗

（華僑大學 信息科學與工程學院，福建 廈門 361021）

0 引言

無線電對講機是移動通信中的一個重要分支，廣泛應用于各行各業，目前，國內除了在需要基站支持的集群對講機中采用數字控制信號外[1]，常規對講機領域仍基本停留在模擬對講機通信技術水平。融人了數字調頻等現代通信技術的民用數字對講機具有抗干擾能力強、語音清晰、易于加密等特點，而且還能提供短信息等附加業務[2]。

數字對講機技術主要涉及射頻技術、數據通信技術，各類標準主要體現在數據通信技術方面的差異，而射頻系統基本沿用模擬對講機所采用的無線調頻通信技術，以利于數模兼容。射頻系統的性能于系統的數據傳輸速率、覆蓋范圍、頻譜利用率以及帶外譜雜散等指標都有很大的影響,從而影響無線通信質量。盡管所采用的無線調頻通信技術成熟，但在數字對講機上應用仍帶來新的技術問題。LNA在數字對講機射頻前端是必不可少的放大電路。合適的LNA選擇，特別是第一級LNA可以大幅度改善接收器的靈敏度，降低數字對講機的誤碼率。本文針對數字對講機電路，根據[3-4],利用ADS輔助設計出適用于數字對講機工作頻段的，指標為噪聲系數小于0.8 dB，增益大于15 dB的LNA。

1 低噪聲放大器的設計理論

圖1是放大器電路原理框圖[5]，其中ΓS表示源反射系數，ΓL表示負載反射系數。不同的ΓS和ΓL將影響放大器的穩定性、噪聲系數、增益、駐波等參數。設計放大器的過程就是根據放大器的S參數，以及噪聲系數、增益、駐波等的要求來確定ΓS和ΓL，然后根據ΓS和ΓL。確定輸入、輸出匹配網絡。

圖1 放大器二端口網絡

1.1 放大器的穩定性

由于反射波的存在，射頻放大器在某些工作頻率或終端條件下有產生振蕩的傾向，不再發揮放大器的作用[6-7]。對于如圖1的放大器二端口網絡，如果反射系數的模大于 1，則反射波的振幅將比入射波的振幅大，這將導致放大器不穩定。因此，放大器穩定意味著反射系數模小于1，即：所以，對穩定性參數有影響的是ΓS，ΓL和放大器的S參量。當對于所有的信源ΓS<1和負載ΓS<1，都可以可以滿足Γin<1，Γout<1時，我們稱為絕對穩定條件。在對講機的射頻放大電路設計中要求放大器在工作頻段內絕對穩定。為了方便判斷絕對穩定條件，我們引入穩定性因子 k，絕對穩定要求

在電路設計中，當放大器不是處于絕對穩定條件下時說明此時 Re(Zin)＜0、 Re(Zout)＜0。我們可以在其不穩定的端口增加一個串聯或并聯電阻，以保證總輸出和總輸入阻抗為正，而在工程中由于晶體管的耦合效應，通常只需加一個端口就可以使輸入和輸出端都達到穩定。選用上述任一措施都能使晶體管穩定。并且晶體管輸入端加電阻會增加輸入損耗，進而轉化為輸出端較大的噪聲指數，因此一般不在輸入端加電阻，而采用在輸出端加電阻來達到晶體管穩定的目的，如圖2所示。

圖2 輸出端穩定措施

1.2 放大器的噪聲與增益

對于二端口放大器的噪聲系數可以表示為：

當選定晶體管時，Fmin、Rn和Γopt是由制造商提供的已知數，所以F僅由ΓS決定，可以通過調整SΓ來調整噪聲系數F。放大器的低噪聲與放大器的穩定性和增益相沖突，例如最小噪聲與最大增益就不能同時達到，因此需要討論噪聲參數，以便得到最佳設計。在實際工程設計中，可以在smith圓圖上畫出等噪聲系數圓，然后選定合適的ΓS來設計出輸入匹配網絡。當輸入匹配網絡與輸出匹配網絡能保證晶體管的輸入和輸出端分別實現共軛匹配時，即：

放大器可以實現最大增益。在共軛匹配的狀態下，晶體管既能從源獲得最大輸入功率，又能輸出給負載最大功率。但是在實際設計中，要同時考慮增益點與噪聲系數，所以往往無法取得最大增益。一般都是在 Smith圓圖下畫出等增益圓和等噪聲，然后取出折中的ΓS和ΓL。值得注意的是，在工程設計中，有時候忽略晶體管自身反饋的影響，認為S12≈0即把晶體管認為是單向的，此時：這意味著Γin和Γout彼此獨立，輸入匹配網絡與輸出匹配網絡無關，可以各自獨立設計。

2 低噪聲放大器的電路設計與仿真：

2.1 技術指標

本文設計的 LNA的主要技術指標：工作頻段400～470 MHz，工作頻段內的噪聲系數 NF小于0.8 dB，增益大于15 dB。

2.2 仿真設計

（1）器件選擇

根據設計指標，選用HP公司的AT-41511進行放大器的設計。該放大器具有噪聲低，線性度好，增益高等優點。通過查閱器件的工作手冊[8]，一定的靜態偏置條件下，AT-41511在400～470 MHz頻段內的最小噪聲系數Fmin小于0.8 dB、增益Gain大于 15 dB，符合設計要求。選用該三極管的另外一個重要原因是在 ADS自帶的器件庫中已經包含了AT-41511的小信號模型，該模型比較精確，能夠提高仿真的準確性和可信度[9-11]。

（2）靜態工作點以及偏置電路的確定

通過AT-41511的工作手冊[5]，本設計選取的直流工作點為：VCE=2.7 V，IC=5 mA。在該直流工作狀態下，AT-41511的最小噪聲系數Fmin在工作頻段內小于 1 dB。供電電壓Vdc=5 V，具體電路形式如圖3所示。

圖3 LNA的偏置電路

（3）穩定性分析

根據放大器穩定的充要條件，直接用ADS控件測出此偏置電路的穩定系數stab_source、stab_load、K，此時放大器穩定系數在工作頻段并不大于1，不是絕對穩定的。

通過在放大器的 E級加入反饋網絡 LCOL,RCOL,CCOL來改善電路的穩定性。通過ADS優化控件設置期望得到的穩定性系數在工作頻段內大于1，從而得出反饋網絡3個器件的具體值，LCOL= 15nH，RCOL=15R,CCOL=1000pF。加入反饋網絡的電路如圖4所示，此時在對穩定系數進行仿真可以看出此時電路已經達到絕對穩定的條件，如圖5所示。

圖4 加入反饋網絡改善穩定性

圖5 加入反饋網絡后的穩定系數

（4）匹配網絡的設計

LNA最主要的指標是噪聲系數，在保證噪聲系數達到指標要求的情況下盡可能地提高電路的增益，利用ADS可以避免繁雜的運算直接在同一張smith圓圖上表示出電路在工作頻段中點 450Mh的輸入端等功率增益圓和噪聲系數圓，如圖6示，其中m1表示等增益圓的圓心，m6表示噪聲系數圓的圓心。選擇盡可能靠近m6的點m3作為 Γs= Z0×（ 0.758 +j *0.568），從而LC輸入匹配電路如圖7所示。

圖6 輸入等增益圓和噪聲系數圓

圖7 輸入匹配電路

加入輸入匹配電路后整個電路噪聲仿真后nf(2)=0.744，如圖8所示。而ΓL與噪聲系數無關，利用 ADS控件測出電路的輸出阻抗為 42.094+j×21.723，為了得到最大增益，需要把50R匹配到輸出阻抗42.094+j×21.723，則輸出匹配電路如圖9所示。

圖8 加入輸入匹配網絡后的電路噪聲

圖9 輸出匹配電路

最后把器件值換成實際值后的電路圖如圖10。對該電路進行仿真，該電路在工作頻段內的噪聲系數小于0.8 dB，增益大于15 dB，符合設計要求。

圖10 加入輸入和輸出匹配網絡后的電路

圖11 電路的噪聲系數

圖12 電路的增益

3 結語

仿真結果可知，所設計的LNA在頻帶400～470 MHz工作時，增益大于15 dB，噪聲系數小于0.8 dB，并且在對講機工作頻率范圍內絕對穩定，所有指標均滿足設計要求。該設計對于LNA的設計研究有著一定的參考價值。

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