基于ADS仿真的数字对讲机LNA设计

陈 超， 张育钊

（华侨大学 信息科学与工程学院，福建 厦门 361021）

0 引言

无线电对讲机是移动通信中的一个重要分支，广泛应用于各行各业，目前，国内除了在需要基站支持的集群对讲机中采用数字控制信号外[1]，常规对讲机领域仍基本停留在模拟对讲机通信技术水平。融人了数字调频等现代通信技术的民用数字对讲机具有抗干扰能力强、语音清晰、易于加密等特点，而且还能提供短信息等附加业务[2]。

数字对讲机技术主要涉及射频技术、数据通信技术，各类标准主要体现在数据通信技术方面的差异，而射频系统基本沿用模拟对讲机所采用的无线调频通信技术，以利于数模兼容。射频系统的性能于系统的数据传输速率、覆盖范围、频谱利用率以及带外谱杂散等指标都有很大的影响,从而影响无线通信质量。尽管所采用的无线调频通信技术成熟，但在数字对讲机上应用仍带来新的技术问题。LNA在数字对讲机射频前端是必不可少的放大电路。合适的LNA选择，特别是第一级LNA可以大幅度改善接收器的灵敏度，降低数字对讲机的误码率。本文针对数字对讲机电路，根据[3-4],利用ADS辅助设计出适用于数字对讲机工作频段的，指标为噪声系数小于0.8 dB，增益大于15 dB的LNA。

1 低噪声放大器的设计理论

图1是放大器电路原理框图[5]，其中ΓS表示源反射系数，ΓL表示负载反射系数。不同的ΓS和ΓL将影响放大器的稳定性、噪声系数、增益、驻波等参数。设计放大器的过程就是根据放大器的S参数，以及噪声系数、增益、驻波等的要求来确定ΓS和ΓL，然后根据ΓS和ΓL。确定输入、输出匹配网络。

图1 放大器二端口网络

1.1 放大器的稳定性

由于反射波的存在，射频放大器在某些工作频率或终端条件下有产生振荡的倾向，不再发挥放大器的作用[6-7]。对于如图1的放大器二端口网络，如果反射系数的模大于 1，则反射波的振幅将比入射波的振幅大，这将导致放大器不稳定。因此，放大器稳定意味着反射系数模小于1，即：所以，对稳定性参数有影响的是ΓS，ΓL和放大器的S参量。当对于所有的信源ΓS<1和负载ΓS<1，都可以可以满足Γin<1，Γout<1时，我们称为绝对稳定条件。在对讲机的射频放大电路设计中要求放大器在工作频段内绝对稳定。为了方便判断绝对稳定条件，我们引入稳定性因子 k，绝对稳定要求

在电路设计中，当放大器不是处于绝对稳定条件下时说明此时 Re(Zin)＜0、 Re(Zout)＜0。我们可以在其不稳定的端口增加一个串联或并联电阻，以保证总输出和总输入阻抗为正，而在工程中由于晶体管的耦合效应，通常只需加一个端口就可以使输入和输出端都达到稳定。选用上述任一措施都能使晶体管稳定。并且晶体管输入端加电阻会增加输入损耗，进而转化为输出端较大的噪声指数，因此一般不在输入端加电阻，而采用在输出端加电阻来达到晶体管稳定的目的，如图2所示。

图2 输出端稳定措施

1.2 放大器的噪声与增益

对于二端口放大器的噪声系数可以表示为：

当选定晶体管时，Fmin、Rn和Γopt是由制造商提供的已知数，所以F仅由ΓS决定，可以通过调整SΓ来调整噪声系数F。放大器的低噪声与放大器的稳定性和增益相冲突，例如最小噪声与最大增益就不能同时达到，因此需要讨论噪声参数，以便得到最佳设计。在实际工程设计中，可以在smith圆图上画出等噪声系数圆，然后选定合适的ΓS来设计出输入匹配网络。当输入匹配网络与输出匹配网络能保证晶体管的输入和输出端分别实现共轭匹配时，即：

放大器可以实现最大增益。在共轭匹配的状态下，晶体管既能从源获得最大输入功率，又能输出给负载最大功率。但是在实际设计中，要同时考虑增益点与噪声系数，所以往往无法取得最大增益。一般都是在 Smith圆图下画出等增益圆和等噪声，然后取出折中的ΓS和ΓL。值得注意的是，在工程设计中，有时候忽略晶体管自身反馈的影响，认为S12≈0即把晶体管认为是单向的，此时：这意味着Γin和Γout彼此独立，输入匹配网络与输出匹配网络无关，可以各自独立设计。

2 低噪声放大器的电路设计与仿真：

2.1 技术指标

本文设计的 LNA的主要技术指标：工作频段400～470 MHz，工作频段内的噪声系数 NF小于0.8 dB，增益大于15 dB。

2.2 仿真设计

（1）器件选择

根据设计指标，选用HP公司的AT-41511进行放大器的设计。该放大器具有噪声低，线性度好，增益高等优点。通过查阅器件的工作手册[8]，一定的静态偏置条件下，AT-41511在400～470 MHz频段内的最小噪声系数Fmin小于0.8 dB、增益Gain大于 15 dB，符合设计要求。选用该三极管的另外一个重要原因是在 ADS自带的器件库中已经包含了AT-41511的小信号模型，该模型比较精确，能够提高仿真的准确性和可信度[9-11]。

（2）静态工作点以及偏置电路的确定

通过AT-41511的工作手册[5]，本设计选取的直流工作点为：VCE=2.7 V，IC=5 mA。在该直流工作状态下，AT-41511的最小噪声系数Fmin在工作频段内小于 1 dB。供电电压Vdc=5 V，具体电路形式如图3所示。

图3 LNA的偏置电路

（3）稳定性分析

根据放大器稳定的充要条件，直接用ADS控件测出此偏置电路的稳定系数stab_source、stab_load、K，此时放大器稳定系数在工作频段并不大于1，不是绝对稳定的。

通过在放大器的 E级加入反馈网络 LCOL,RCOL,CCOL来改善电路的稳定性。通过ADS优化控件设置期望得到的稳定性系数在工作频段内大于1，从而得出反馈网络3个器件的具体值，LCOL= 15nH，RCOL=15R,CCOL=1000pF。加入反馈网络的电路如图4所示，此时在对稳定系数进行仿真可以看出此时电路已经达到绝对稳定的条件，如图5所示。

图4 加入反馈网络改善稳定性

图5 加入反馈网络后的稳定系数

（4）匹配网络的设计

LNA最主要的指标是噪声系数，在保证噪声系数达到指标要求的情况下尽可能地提高电路的增益，利用ADS可以避免繁杂的运算直接在同一张smith圆图上表示出电路在工作频段中点 450Mh的输入端等功率增益圆和噪声系数圆，如图6示，其中m1表示等增益圆的圆心，m6表示噪声系数圆的圆心。选择尽可能靠近m6的点m3作为 Γs= Z0×（ 0.758 +j *0.568），从而LC输入匹配电路如图7所示。

图6 输入等增益圆和噪声系数圆

图7 输入匹配电路

加入输入匹配电路后整个电路噪声仿真后nf(2)=0.744，如图8所示。而ΓL与噪声系数无关，利用 ADS控件测出电路的输出阻抗为 42.094+j×21.723，为了得到最大增益，需要把50R匹配到输出阻抗42.094+j×21.723，则输出匹配电路如图9所示。

图8 加入输入匹配网络后的电路噪声

图9 输出匹配电路

最后把器件值换成实际值后的电路图如图10。对该电路进行仿真，该电路在工作频段内的噪声系数小于0.8 dB，增益大于15 dB，符合设计要求。

图10 加入输入和输出匹配网络后的电路

图11 电路的噪声系数

图12 电路的增益

3 结语

仿真结果可知，所设计的LNA在频带400～470 MHz工作时，增益大于15 dB，噪声系数小于0.8 dB，并且在对讲机工作频率范围内绝对稳定，所有指标均满足设计要求。该设计对于LNA的设计研究有着一定的参考价值。

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