低Q值匹配网络超宽带低噪声放大器设计*

杜海明,仲继生,赵红梅,崔光照

(郑州轻工业学院电气信息工程学院,郑州 450002)



低Q值匹配网络超宽带低噪声放大器设计*

杜海明*,仲继生,赵红梅,崔光照

(郑州轻工业学院电气信息工程学院,郑州 450002)

摘要:提出了一种基于低Q值匹配网络的超宽带低噪声放大器(LNA)的设计方法。该方法将LC滤波电路加入偏置电路中,以降低系统噪声同时调节匹配网络Q值;通过选择合适的反馈回路,提高LNA的带宽并调节匹配网路Q值;利用匹配电路结构及优化的Q值,解决了放大器频带窄、噪声高、增益低的问题。测试结果表明,在频段1.5 GHz～2.5 GHz内,其纹波特性低于1 dB,增益达到25 dB。将实测结果与仿真结果相比较,验证了该设计方法的合理性,与传统LNA设计方法相比,采用低Q值匹配网络的设计方法结构简单、性能优越,具有广泛的应用价值。

关键词:低噪声放大器;匹配网络;低Q值;超宽带

自从美国联邦通信委员会(FCC)2002年允许UWB在商业通信领域使用以来,超宽带技术凭借高速率、低成本、抗多径效应,一直是学者和工程师的研究热点。

然而UWB通信系统设计上却存在各种各样的困难,其中最为困难的就是接收机射频前端的设计。LNA作为接收机射频前端的关键部件,其噪声系数对整个接收系统的噪声影响很大、增益将决定对后级电路的噪声抑制程度、线性度将对整个系统的线性度和共模噪声抑制比产生重要影响。因此对LNA的设计基本要求有噪声系数低、足够的功率增益、工作稳定性好、足够的带宽和大的动态范围。文献[1-2]中的LNA是基于负反馈技术设计的,性能比较好,但是结构过于复杂,体积较大,不利于成本控制;文献[3-4]都引入了电感,虽然克服了LNA增益低的问题,但却引入了更大的噪声;文献[5]采用视频数据法优化LNA电路,解决了产品体积问题,但LNA的增益和噪声参数都较差;文献[6]中的两级LNA的前后两级频率不同,这种方法扩宽了带宽,但是LNA增益太低,不能满足当前的需求。

1　LNA的设计

在放大器的设计中,匹配网络不仅仅肩负着信号无损传输的重担,它还可以改善放大器的噪声系数,扩展带宽。

为了更方便的估计匹配网络的带宽,这里引入节点的Q值,简称Qn。对于Π型、T型甚至更复杂的匹配网络可以认为匹配网络的Q值等于节点Qn,对于图1电路,设节点导纳为Q,则节点的Q值:

(1)

(2)

图1　并联谐振电路

对于图2电路,设节点阻抗Zs=Rs+jXs,则节点Q值

(3)

(4)

由式(2)、式(4)可知匹配网络Q值越高,反射系数越差,频带越窄,可以看出降低匹配网络的Q值是设计好的LNA的重要任务。本文提出的基于新型匹配技术的LNA设计,是利用反馈技术、偏置电路乃至匹配电路本身的优化来降低匹配网络的Q值,从而实现LNA的宽频带、低噪声和高增益。

图2　串联谐振电路

1.1芯片选择

设计的放大器要求的增益不低于23dB,由放大器设计知识可知,为保证放大器的稳定工作,单级放大器的增益应该不大于15dB,所以本设计采用二级放大以满足设计所需增益。设计的噪声系数要求小于1.8dB,考虑反馈电路会引入噪声,PCB电路及制作工艺对电路的影响,还有频率及增益的要求,本设计采用Infineon公司的晶体管BFP420,该晶体管适用于设计高增益LNA,在1.8GHz处的增益达到21dB,噪声为1.1dB,可以满足设计要求。

1.2偏置电路

本设计的中心频率在2.0GHz,为了使高频信号对偏置电路的影响达到最小,在分压偏置电路的基础上加以改进,加上LC电路,该电路不仅可以作为滤波电路,抑制高频主电路信号串入直流通路,还可以微调LC器件改善电路的阻抗,达到降低匹配电路Q的目的。

图3　偏置电路

电容C4、C5、C6都为去耦电容,依次取值为10 pF、1 nF、0.1 μF,他们不仅可以在很宽的频率范围内降低电源对GND的阻抗,还可以滤除高频噪声。

1.3反馈电路

在超宽带LNA的设计中,由于受到带宽和增益的乘积为恒定常数的制约,必须牺牲部分增益以换得带宽,所以超宽带LNA必须用负反馈电路来达到这一目标。而负反馈电路并不降低电路内放大器的增益,所谓负反馈电路,就是将输出电压或者输出电流返回到输入部分,在外观上减少自己本身的输入电压或者输入电流来控制电路整体增益的电路。反馈回路不可避免的带入了经放大后的噪声。

本设计考虑功率增益要求,需要采用二级放大电路,对于二级放大电路,电路的总噪声:

(5)

由式(5)可以看出,电路噪声关键取决于第1级网络的噪声和第1级网络的功率增益。为尽可能的减小整个电路的噪声,第1级放大器不加反馈网络,而在第2级放大器加上负反馈网络,以达到扩展带宽、减小噪声的目的。如图4,反馈网络中R4为反馈电阻,由仿真实验可知,反馈电阻越小,负反馈程度越大,同时噪声越高,所以在反馈电阻的取值上还要综合考虑噪声和增益的问题。图4中C7起到隔直流、通交流的作用。另外,负反馈的微调也能影响匹配网络的Q值,有利于匹配电路的设计。

图4　反馈电路

1.4匹配电路

超宽带LNA的性能在很大程度上受电路输入输出匹配网络的影响。匹配网络就是将负载阻抗匹配到源阻抗以达到阻抗变换的过程。事实上,许多实际的匹配网络不仅可以让功率达到最大传输,还能改善噪声系数、减小反射系数。

如图5(Smith圆图)所示,假定源阻抗为50 Ω,即图中B点,负载阻抗为J点。在Smith圆图中,很清楚的看出J点Q值高达3.2(未在图中标出)。根据Q值理论,Q值越高,带宽越窄,反射系数越大,将会导致电路的传输效率低、噪声系数增大、难以实现宽频带。所以当负载阻抗在J点时,很难做出较好的宽频匹配网络,这样就需要调节负载阻抗,本文是通过微调偏置电路中的LC滤波电路和反馈电路来改善负载阻抗的。现在假定微调之后负载阻抗位于A点,由图中Q=0.8的曲线可知,A点的Q值小于0.8,所以A点是一个较为合适的匹配网络节点。在实际操作中,将A点匹配到B点,有很多路径,如何选择性能好、成本低的电路就成为工程师首先要考虑的问题。

图5　Smith圆图

如图6所示几种最常见的匹配方式:

图6(a)路径所示网络是由一个Π型网络和一个L型网络组合而成,网络包含5个元器件,其中C1和L1构成一个低通滤波器,而C2和L2构成一个高通滤波器,所以图6(a)路径所示匹配网络其实正是一个带通滤波器,对于超宽带LNA来说,这种匹配网络不仅仅实现了电路功率的最大传输,同时滤除了带外的高频和低频信号,减少了带外频率引起的干扰。

图6(b)路径所示网络跟图6(a)差别不大,但图6(b)是由2个低通滤波器组成,在实际效果中,对于带外高频信号的抑制明显减弱,在可选择图6(a)的情况,显然不使用图6(b)。

图6(c)路径所示网络比较简单,是一个L型网络,只有2个元器件,且匹配网络元件构成一个低通滤波器,但是图中G点的Q值达到1.8,由Q值理论可知,网络的最大Q值的节点将会严重影响到整个网络的Q值,所以图6(c)匹配网络的Q值过高,不利于匹配电路的设计。

图6(d)路径所示网络最为简单,路径最短,但是不会对电路有任何改善,相反,电路中加入了电阻不可能实现无损耗匹配,电路功率损耗,同时会加大电路的噪声,是几个常见路径中最差的匹配网络。

由图6(a)～6(d)比较得知,超宽带LNA的匹配网络路径最好的为图6(a),匹配网络构成带通滤波器,对带外频率有明显抑制作用,网络节点Q值低,既降低了噪声系数,又易于实现放大器的带宽扩展,也就是本文提出的基于Q值的匹配技术的基本思想。

图6　几种常见的匹配路径

由BFP420的Datasheet可知,将其设计为二级放大器,可以在一定程度上放松对电路功率增益的考虑,所以设计时要充分考虑电路的噪声。由式(5)得知,第1级放大器的噪声优化设计将是整个系统噪声优化的关键,故本设计第1级放大器的设计应以最小噪声为重点,而第2级放大器的设计以最大增益为重点。

最小噪声匹配是以实现最小噪声传输为目的而做出的匹配网络。如图7所示,将Γs1匹配到源阻抗或者将源阻抗匹配到Γs1就是实现设计中第1级放大器的最小噪声匹配。而ADS软件中,可以利用Zopt控件很容易就能计算出最小噪声匹配阻抗Γs1,利用本文提出的基于Q值的匹配技术将源阻抗50 Ω匹配至Γs1即完成了第1级放大器的的前级匹配。

图7　第1级放大器的前级匹配

级间匹配和第2级放大器的后级匹配均采用最大增益匹配,以保证整个LNA的增益。最大增益匹配以实现最大增益传输为目的,理想的最大增益匹配网络没有反射,没有功率损耗,只能构建唯一的级间匹配网络,在这个网络里面,没有电阻元件,任意节点都形成共轭匹配。在ADS软件中,可以利用Zin控件计算出第2级放大器的输出阻抗Γout2,如图8所示,同样利用基于Q值的匹配技术将Γout2匹配至50 Ω,完成第2级放大器的后级匹配。

图8　第2级放大器的后级匹配

级间匹配是二级放大器设计的难点之一。常用的有2种方法:第1种是将第1级放大器的输出阻抗Γout1匹配至50 Ω,同时将第2级放大器输入阻抗Γin2也匹配至50 Ω,最后将2个单级放大器级联起来,即完成了二级放大器的级间匹配;第2种方法是直接将Γout1匹配至Γin2,完成二级放大器的匹配。显然第1种匹配方式思路简单,但是是对资源的一种浪费,现在的射频产品都在追求更小更廉价,所以说这种匹配方式是不能接受的,而第2种匹配方式不会出现资源浪费的问题,但是第2种方式若要实现无损耗匹配,只有唯一的一种匹配网络可以实现,需要更丰富的LNA设计经验。

1.5参数优化

LNA的优化是设计中的难点,LNA的主要参数有带宽、增益、纹波特性、驻波比、

噪声系数,通俗的讲优化就是产品各个参数间互相妥协的过程。在优化过程中,要特别注意的是各个分立元件的取值,由于分立元件是有误差的,为保证产品的可靠性能,分立元件的取值要越小越好。在优化之后,还需要将放大器的Γs1、Γout1、Γin2、Γout2重新测量,保证各个节点都处于比较低的Q值,才能设计出性能最好的超宽带LNA。

2　仿真结果与实物测试

本设计利用频谱分析仪和信号源进行测试,主要测试系统的增益,图9为S参数仿真结果图。图10为实测平台及中心频率点的测试结果。利用频谱分析仪对设计的LNA增益的测量结果如图11所示。

图9　S参数仿真结果

图10　实测平台及中心频率点测试结果

图11　实测LNA增益

由实测增益图可知,与仿真数据相比较,实物测量的增益要低1 dB～2 dB,而且纹波特性相对较差。在某些频点,实物噪声系数比仿真差一点,完全在可允许范围内,测量结果基本能满足设计指标要求。经分析可能有以下几个方面的原因会造成实物测量与仿真结果的误差:

(1)FR-4的材质和工艺原因,对于设计的LNA,会带来一定影响;

(2)晶体管的模型本身存在一定误差,元器件的焊接带来一定损耗;

(3)本设计使用分立元件,分立元件的误差和高频特性会影响电路性能;

(4)产品未安装屏蔽盒,受到的电磁干扰相对复杂;

(5)频谱分析仪测量的局限性,不能保证每次测量都在一个绝对相同的环境。

3　结论

通过实验和理论验证分析,提出了基于低Q值匹配技术的超宽带低噪声放大器设计方法,设计了一款性能好、体积小、低成本的超宽带低噪声放大器,该放大器在1.5 GHz～2.5 GHz范围内,增益大于25 dB,纹波小于1 dB,噪声系数小于1.8 dB,输入反射系数小于-19 dB,输出反射系数小于-18 dB,输入输出驻波比均小于2.2,可广泛应用于微波通信和军事设备中。

参考文献:

[1]肖勇,樊勇,闫鸿.0.5 GHz～3.3 GHz超宽带低噪声放大器设计[J].电视技术,2009,49(12):105-108.

[2]Mincheol Seo,Kyungwon Kim,Minsu Kim,et al.Ultrabroadband Linear Power Amplifier Using a Frequency-Selective Analog Predistorter[J].Transactions on Circuits and Systems,2011,58(5):264-268.

[3]郭振杰,张万荣,金冬月.基于有源电感的全集成超宽带低噪声放大器[J].微电子学,2013,43(3):316-320.

[4]王巍,彭能,王颖.3 GHz～5 GHz超宽带并联负反馈低噪声放大器的设计[J].微电子学,2011,41,(1):10-14.

[5]曹文财,石玉,何泽涛.超宽带高线性低噪声放大器的研制[J].磁性材料及器件,2011,42(3):68-71.

[6]吴伟,樊晓桠,魏廷存.高增益超宽带低噪声放大器研究[J].微电子学,2010,40(4):515-519.

[7]Zhang Heng,Fan Xiaohua.A Low-Power,Linearized,Ultra-Wideband LNA Design Technique[J].Solid-State Circuits,2009,44(2):320-330.

[8]程骏,李海华.一种S波段低噪声放大器的设计[J].电子器件,2013,36(2):206-210.

[9]朱兆君,贾宝富,罗正祥等.S波段小型化微带低噪声放大器的研制[J].电子器件,2006,29(2):405-408.

杜海明(1977-),男,汉族,河南灵宝人,郑州轻工业学院,博士,硕士生导师,研究方向为无线通信、UWB通信与信号检测与信号处理主要研究方向信号检测与信号处理,duhaiming-007@163.com;

仲继生(1988-),男,汉族,河南新县人,硕士生,研究方向为超宽带射频接收机;

赵红梅(1976-),女,汉族,河南辉县人,郑州轻工业学院,副教授,博士,硕士生导师。研究方向为微波射频技术、超宽带无线通信、微带天线设计,zhhm@zzuli.edu.cn。

DesignofUltraWidebandLowNoiseAmplifierBasedonLowQValueofMatchingNetwork*

DUHaiming*,ZHONGJisheng,ZHAOHongmei,CUIGuangzhao

(College of Electric and Information Engineering,Zhengzhou University of Light Industry,Zhengzhou 450002,China)

Abstract:A novel LNA(Low Noise Amplifier)is proposed by using low Q value of matching network.The LC filtering circuit is merged in biasing circuit in order to reduce the noise of system and to monitor the Q value of the matching network in the design;By choosing the suitable feedback loop to raise the bandwidth of the LNA and to adjust the Q value of the matching network;By taking advantage of the structure of matching circuit and the optimization of the Q value,a few problems of Amplifier is settled down,such as the narrow bandwidth,the high noise and the low gain.The LNA is measured under the bandwidth of 1.5 GHz～2.5 GHz,the ripple wave characteristic is lower than 1 dB,moreover the gain is 25 dB.The measured result is compared with the simulation result,it can be verified the design is reasonable.And the structure of the design method is simple and the performance is more superior,meanwhile the application is wide.

Key words:LNA;matching network;low Q value;ultra wideband

doi:EEACC:523010.3969/j.issn.1005-9490.2014.04.012

中图分类号:TN722.3

文献标识码:A

文章编号:1005-9490(2014)04-0635-05

收稿日期:2014-02-18修改日期:2014-03-16

项目来源:河南省科技厅基础前沿研究项目(112300410144);郑州市UWB实时定位系统院士工作站建设项目(131PYSGZ211);河南省省院合作项目(122106000049)