ISM频段射频放大的小信号分析*

(西安邮电学院 电子与信息工程系，西安 710121)

1 引 言

在无线通信领域，由于ISM频段全球无需许可证，现在物联网RFID、无线局域网(WLAN)、蓝牙(Bluetooth)和紫蜂(ZigBee)等均工作在2.4 GHz的ISM频段。随着无线通信技术的不断发展，ISM频段射频前端技术已经成为通信和电子领域的一项关键技术[1-2]。小信号放大作为射频电路的核心内容，是值得深入研究的课题。小信号放大在无线接收系统中处于射频前端，主要作用是在低噪声前提下放大接收到的微弱信号，射频放大的小信号分析对整个接收系统至关重要。但是，目前对小信号放大的研究主要集中在给定指标下射频电路的设计[3-4]，缺乏对各项参数变化规律的研究。本文在失配受限的前提下分析了增益、稳定性和噪声系数的变化规律，给出了提高小信号放大综合性能的方法，这对射频小信号放大是非常实际的问题。

本文首先分析了射频小信号放大的设计理论，然后对小信号放大的参数进行分析，给出了单项参数达到最优的条件，提出了各项参数的变化规律，给出了仿真曲线和仿真结果分析，为改善小信号放大器的综合性能提出了一种新的途径。

2 射频小信号放大器

射频小信号放大器的一般框图如图1所示，在射频源与晶体管之间有输入匹配网络(IMN)，在晶体管与负载之间有输出匹配网络(OMN)，放大器根据技术指标确定匹配网络的物理结构和电参数，匹配网络可以由分布参数、混合参数或集总参数元件构成[5-6]。

图1 射频前端小信号放大器的框图

射频小信号放大器需要考虑稳定性，稳定性是指放大器抑制环境的变化(如信号频率、温度、源和负载等变化时)。维持正常工作特性的能力，可以用图解法或解析法判定放大器的稳定性，解析法是计算稳定性因子。

射频放大器的转换功率增益为

GT=GSG0GL

(1)

对小信号放大器来说，噪声的存在对整个设计有重要影响，在低噪声的前提下对信号进行放大是对放大器的基本要求。

信源与晶体管之间及晶体管与负载之间的失配程度用输入和输出电压驻波比来描述，很多情况下放大器的驻波比必须保持在特定指标之下。放大器的输入和输出电压驻波比为

(2)

式中，M为源或负载的失配因子。

3 参数分析方法

本文在复平面上利用圆图对小信号放大器的参数进行分析，指出增益、驻波比和噪声多个性能参数不能同时达到最优，给出了单项参数达到最优的条件，提出了提高小信号放大器综合性能的方法。

3.1 单项参数的分析

噪声系数仅与输入匹配网络有关。噪声系数可以表示为

(3)

当源的反射系数ΓS=Γopt时，F=Fmin，噪声系数最小。

驻波比与输入和输出匹配网络均有关，是源失配因子和负载源失配因子的函数。放大器输入和输出反射系数与源和负载失配因子的关系为

(4)

(5)

3.2 多个参数的综合分析

采用圆图图解的方法设计放大器，步骤如下：

(1)在复平面画出等增益曲线。当晶体管单向时，输入匹配网络的等效增益和输出匹配网络的等效增益无关，输入匹配网络的等增益曲线为

(6)

输入等增益曲线为圆，增益值越大圆半径越小，最大增益时等增益圆半径为零。输出匹配网络的等增益曲线同样也是一个圆。分配输入和输出匹配网络的有效增益，然后在史密斯圆图上给出等增益曲线，在等增益曲线上选反射系数，进而确定在复平面上的位置；

(2)噪声系数仅与输入匹配网络有关，在复平面等噪声曲线的方程为

(7)

等噪声系数曲线为圆，噪声系数越大圆的半径越大，噪声系数最小时在史密斯圆图上缩为一个点。在等噪声系数曲线内选源反射系数，并注意选点落在等增益曲线上；

(3)计算稳定性因子；

(4)计算输入与输出驻波比；

(5)若输入与输出驻波比以及稳定性因子不满足指标要求，重复步骤2、3和4以满足指标要求；

(6)当复平面上反射系数的位置确定后，确定电路结构。

4 仿真结果

4.1 晶体管的参数

晶体管采用hp-AT32011，在设计放大器时，首先需要对晶体管的参数进行仿真，晶体管AT32011的S参数仿真曲线如图2所示，仿真曲线的频率范围为100 MHz～5.1 GHz。在2.4 GHz时，晶体管的S11=0.480∠176°，表明输入端匹配很差；dB(S12)=-18.862，表明单向性较好；dB(S21)=6.769，这是晶体管的增益，放大器的增益还需计入输入和输出匹配网络的等效增益；S22=0.540∠-57°，表明输出端匹配较差。对噪声系数仿真，在2.4 GHz晶体管的噪声系数为2.047。

4.2 放大电路的构成

采用单支节匹配网络，微带线基板的厚度为0.8 mm，基板的相对介电常数为4.3，基板的相对磁导率为1，基板的损耗角正切为0.001，微带线导体层的厚度为0.03 mm，导体的电导率为5.88E+7，微带线表面粗糙度为0 mm。同时添加输入和输出匹配网络，放大电路如图3所示。

4.3 仿真结果

在本文的仿真中，放大器的中心频率为2.43 GHz，带宽为6 MHz，系统的特性阻抗为50 Ω。在3种状态下进行仿真，这3种状态放大器的失配不同，在中心频率处，第一种状态的输入驻波比选为1.941，第二种状态的输入驻波比选为1.570，第三种状态的输入驻波比选为1.376。放大器增益仿真曲线如图4所示，标记m1、m2和m3所在的增益曲线分别对应第一种、第二种和第三种失配状态。放大器噪声系数仿真曲线如图5所示，标记m4、m5和m6所在的噪声系数曲线分别对应第一种、第二种和第三种失配状态。放大器稳定性因子仿真曲线如图6所示，标记m7、m8和m9所在的稳定性因子曲线分别对应第一种、第二种和第三种失配状态。

图2 晶体管的S参数

图3 单支节匹配的放大电路

图4 放大器的增益

图6 放大器的稳定性因子

本文的研究结果如下：

(1)本文在失配受限的前提下分析了小信号放大各项参数的变化规律，失配状态通过输入驻波比来表示，驻波比越大失配越大。本文考察了3种失配状态，第一种状态输入端匹配最差、失配最大，第三种状态输入端匹配最好、失配最小；

(2)在3种失配的状态下，对增益和噪声系数进行仿真。由图4可以看出，放大器的增益与失配有关，失配越小增益越大。由图5可以看出，噪声系数也与失配有关，失配越小噪声系数越大。增益与噪声系数是小信号放大的两个重要参数，上述仿真的结果说明两者的变化趋势相反，两者的参数不能同时达到最优。失配也是小信号放大的一个重要参数，上述仿真的结果还说明，失配与增益的变化趋势相同，失配与噪声系数的变化趋势相反；

(3)由于反射波的存在，射频放大在某些终端条件或工作频率有产生振荡的倾向，射频放大器需要考虑稳定性。由图6可以看出，在3种失配状态下，放大器均绝对稳定，说明小信号时放大器容易保持稳定性。稳定性可以用稳定性因子来表示，仿真结果还说明失配越小稳定性越高；

(4)由上述仿真结果可以看出，在设计小信号放大器时，可以根据给定的某一设计指标，仿真其它参数的变化范围，由此判断器件选取正确与否，并能在选定器件后提高小信号放大的综合性能；

(5)现在对小信号放大的研究，主要集中在给定指标下射频电路的结构设计，缺乏对各项参数变化规律的研究。本文分析了失配、增益、稳定性和噪声系数的变化规律，对小信号放大的设计具有普遍指导意义。

5 结 论

本文对ISM频段射频放大的小信号特性进行了分析，给出了一种ISM频段射频放大的实现途径，提出了提高放大器综合性能的设计方法。通过在复平面上利用圆图对小信号放大器的参数进行分析，得到了各项参数的变化规律。仿真结果表明，匹配网络同时对驻波比、增益、噪声系数和稳定性因子有影响，失配与增益的变化趋势相同，失配与噪声系数的变化趋势相反，小信号时放大器容易保持稳定，失配越小稳定性越高。目前对小信号放大的研究偏重于射频电路的结构设计，缺乏对各项参数变化规律的研究，本文的研究结果对提高小信号放大的综合性具有指导作用。在研究小信号放大时，如果将射频电路的结构尺寸、实现难易与各项参数的变化规律结合起来研究，将更具实际意义，这将是下一步的研究工作。

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