一款寬帶低噪聲放大器模塊的設計*

顏克文 吳趙兵 俞森吉 何 昕 劉 亮

(廣州海格通信集團股份有限公司 廣州 510663)

?

一款寬帶低噪聲放大器模塊的設計*

顏克文 吳趙兵 俞森吉 何 昕 劉 亮

(廣州海格通信集團股份有限公司 廣州 510663)

低噪聲放大器是接收機系統中極其重要的一部分,論文設計的低噪聲放大器模塊采用兩級級聯的甲類放大器形式,輸入和輸出端采用傳輸線變壓器進行阻抗匹配,使得設計的放大器模塊具有低噪聲系數的同時也具有寬帶特性,具有重要的參考意義。

低噪聲; 放大器模塊; 寬帶; 噪聲系數

Class Number TN72

1 引言

低噪聲放大器的主要作用是放大天線從空中接收到的微弱信號,減少噪聲干擾,以供系統解調出所需要的數據,當今,人們對各種無線通信工具的要求越來越高,如功率輻射要小、作用距離要遠、覆蓋范圍要廣等,這對系統的接收靈敏度提出了很高的要求[1],系統靈敏度的計算公式為

Smin=-114(dBm/Hz)+NF+10LogBW(MHz)

+S/N(dB)

從公式中可以看出,一旦系統帶寬BW和信噪比S/N確定了,對系統的靈敏度起決定性作用的只有噪聲系數NF,參考多級級聯放大器的噪聲系數公式:

NF=NF1+(NF2-1)/G1+(NF3-1)/G1G2+…

從上面噪聲系數的公式也能明顯地看出,第一級放大器的噪聲在整個接收機系統中處于重要地位。所以,低噪聲放大器的設計對整個系統是很重要的,而且是提高靈敏度的關鍵手段之一。

2 低噪聲放大器的主要技術指標

低噪放放大器電路的技術指標包括:頻率范圍、增益、噪聲系數、端口反射系數、三階互調等,下面簡單介紹主要技術指標和相互關系。

2.1 噪聲系數NF

放大器的噪聲系數NF定義如下:

NF=(Sin/Nin)/(Sout/Nout)

Sin,Nin分別為輸入端的信號功率和噪聲功率;Sout,Nout分別為輸出端的信號功率和噪聲功率。噪聲系數的物理含義是,信號經過放大器之后,由于放大器產生噪聲,使得信噪比變壞,信噪比下降的倍數就是噪聲系數[1]。

2.2 放大器的增益G

增益通常定義為傳輸給負載的平均功率與信號源的最大資用功率之比:

G=PL/PS

通常情況下,低噪聲放大器都是按照噪聲最佳匹配情況下的增益進行設計的,噪聲最佳匹配點并非就是最大增益點,因此增益G要下降。

2.3 增益、噪聲和動態范圍之間的關系

接收系統增益確定之后,就要對增益進行分配。增益分配首先要考慮接收機系統的噪聲系數。一般情況下,低噪聲放大器的增益比較高,以減少放大器之后的器件或者模塊對系統的噪聲影響。但是,低噪聲放大器的增益又不能太高,太高則會影響后級混頻器的失真和接收機的動態范圍。

3 阻抗匹配的基本原理

阻抗匹配的概念是射頻電路設計中最基本的概念之一,貫穿射頻電路設計始終,阻抗匹配就意味著源傳遞給負載最大的射頻功率,換言之,要實現最大的功率傳輸,必須使負載阻抗與源阻抗想匹配。然而,它們的功能并不僅限于實現理想功率傳輸而在源和負載之間進行阻抗匹配。事實上,許多實際的匹配網絡并不是僅僅為了減少功率損耗而設計的,它們還具有其他功能,比如減少噪聲干擾、提高功率容量和提高頻率響應的線性度等。通常認為,匹配網絡的用途就是實現阻抗匹配,就是將給定的阻抗變換成其他更加合適的阻抗值。

3.1 阻抗匹配的考慮因素

1) 簡單性:選擇通過簡單的電路實現匹配,可以使用更少的器件,減少損耗并降低成本,提高了可靠性。 2) 頻帶寬度:也就是匹配電路中的Q值,通常匹配電路的頻帶越寬,成本也會越高。 3) 電路種類:在實現一個匹配網絡時,需要考慮匹配網絡使用傳輸線的種類,然后確定使用匹配電路的種類。 4) 調節性:如果負載發生變化,匹配網絡需要相應地調整來達到匹配的要求[2]。

3.2 阻抗匹配的電路種類和構成

在放大器的設計中常用的匹配電路有:集總元件匹配電路、微帶線匹配電路和傳輸線變壓器阻抗變換匹配電路等。

采用LC分立元器件集總參數元器件阻抗匹配網絡,這種網絡容易分析,并可以在1GHz頻段的低端及更低的頻段使用;采用微帶線和微帶線等分布參數元器件實現的匹配網絡,這種網絡特別適合于工作在1GHz以上頻段,以及對電路垂直方向尺度有特殊要求的場合。傳輸線變壓器是一種寬帶阻抗匹配變換網絡,有其固定的特性阻抗Zo,當Zo與負載電阻RL相等時,電磁波信號在傳輸線變壓器上呈行波狀態。當傳輸線的長度小于傳輸信號的λ/8時,可以近似認為電磁波在傳輸線上相位不變。傳輸線變壓器的應用可分為兩種:平衡與不平衡阻抗變換和特定比值的阻抗變換,常用于源和負載阻抗相差較大之間的阻抗匹配。同軸電纜變換器-合成器又稱“巴倫”,這種變換器廣泛地應用在寬帶大功率放大器中,特別在VHF和UHF波段[3～7]。

4 常見晶體管放大電路的形式

常規晶體管放大電路采用共射電路的輸入和輸出,其阻抗居中,電壓增益和電流增益較大;共集電路的輸入阻抗最高,輸出阻抗最低,電壓增益小而接近1,輸出和輸入信號相位相同,即有跟隨作用;共基電路的輸入阻抗相對較低,輸出阻抗最高,高頻性能較好,同時也具有相對較大的隔離度,所以多用于寬帶放大器和高頻振蕩器,本文采用共基放大電路的形式[8～10]。

5 寬帶低噪聲放大器模塊設計

本文設計的寬帶低噪聲放大器電路選取甲類級聯放大電路進行設計,使用寬的電壓供電,使用相對較大的直流功耗換取較好的非線性特性,保證很好的動態范圍;輸入端變壓器和輸出端變壓器實現對電路進行增益控制和阻抗匹配;前級和后級放大電路采用共基極放大形式,增加了模塊輸入和輸出端的隔離度。采用BFP196W放大管,BFP196W是一款低噪聲,低失真寬帶NPN硅晶體管,轉換頻率高達7.5GHz。前級放大電路采用兩個BFP196W并聯放大,后級放大電路采用4個BFP196W并聯放大的形式,多個放大管級聯放大的形式使得系統更加的穩定可靠。為了有效地控制低噪放模塊的增益,中間級可根據需要設計衰減網絡,調節低噪放模塊總的增益。功能框圖如圖1所示。

圖1 低噪聲放大器模塊框圖

采用ADS微波仿真軟件對低噪放電路進行仿真,仿真的模型圖如圖2所示,仿真的S參數結果和低噪放穩定性系數如圖3,噪聲系數仿真結果如圖4所示。從圖中可以看出,在2MHz～50MHz范圍內,增益大于12dB,穩定系數在全頻段均大于1,說明低噪放電路是穩定的,噪聲系數在2MHz頻點為1.4dB,5MHz～50MHz的范圍內噪聲系數小于1dB,較好地滿足了設計要求。

圖2 低噪放電路仿真模型圖

圖3 S參數和穩定性系數仿真結果圖

圖4 低噪放電路模塊噪聲系數仿真結果圖

圖5和表1給出了設計的低噪放電路模塊實際調試測試結果,從圖5S參數的測試結果可以看出,低噪放電路模塊的增益在2MHz～50MHz范圍內大于13.5dB,反射系數S11和S22均小于-14dB,從表1可以看出在2MHz～50MHz范圍內,低噪放電路模塊實測的噪聲系數小于1.2,很好的滿足了設計要求。低噪放電路模塊實物圖如圖6所示。

圖5 低噪放電路模塊實際S參數測試結果圖

序號頻點(MHz)噪聲系數NF(dB)121．152151．103351．064451．055501．10

圖6 低噪放電路模塊實物圖

6 結語

論文闡述了低噪聲放大器在接收機系統中的重要性,介紹了低噪聲放大器電路的主要技術指標、阻抗匹配的基本原理以及不同晶體管放大形式的特點。并設計了一款寬帶低噪聲放大器模塊,低噪聲放大器模塊增益在2MHz～50MHz的頻率范圍內,增益大于13.5dB,反射系數小于-14dB,噪聲系數小于1.2dB,其設計思想具有重要指導和參考意義。

[1] 徐興福.ADS2008射頻電路設計與仿真實例[M].北京:電子工業出版社,2009:59-143.

[2] Andrei Grebennikov.射頻微波功率放大器設計[M].北京:電子工業出版社,2007:160-250.

[3] 王振.400MHz-600MHz 50W線性功率放大器的研究[D].成都:電子科技大學碩士學位論文,2010:27-31.

[4] 湯唯,楊玉梅,張玉興.變壓器式巴倫的研究[J].現代電子技術,2008,15:60-61.

[5] 陳肖燕.短波寬帶高功率傳輸線變壓器設計[J].無線電工程,2006,36(10):51-53.

[6] 廖承恩.微波技術基礎[M].西安:西安電子科技大學出版社,2006:45-55.

[7] Reinhold Ludwig, Pavel Bretchko.射頻電路設計理論及應用[M].北京:電子工業出版社,2002:270-294.

[8] 秦世才,賈香鸞.模擬電路基礎[M].天津:南開大學出版社,1998:170-171.

[9] 張肅文.高頻電子線路[M].北京:高等教育出版社,2004:237.

[10] 支傳德.射頻功率放大器線性化與穩定性的分析與設計[D].北京:清華大學博士學位論文,2007:11.

Design of A Broadband Low Noise Amplifier Module

YAN Kewen WU Zhaobing YU Senji HE Xin LIU Liang

(Guangzhou Haige Communications Industry Group Co., Ltd, Guangzhou 510663)

Low noise amplifier is an extremely important part of the receiver system. In this paper, a kind of low noise amplifier i researched, which uses class a amplifier form with two cascaded, input and output impedance matching by using a transmission line transformer make the low noise amplifier module with low noise coefficient and also has wideband characteristic. This paper has the important reference significance.

low noise, amplifier module, broadband, noise figure

2014年9月3日,

2014年10月26日

顏克文,男,碩士,工程師,研究方向:射頻電路設計。吳趙兵,男,碩士,工程師,研究方向:工業設計。俞森吉,男,碩士,工程師,研究方向:射頻電路設計。何昕,男,碩士,工程師,研究方向:通信系統設計。劉亮,男,碩士,工程師,研究方向:數字硬件設計。

TN72

10.3969/j.issn1672-9730.2015.03.041