一款宽带低噪声放大器模块的设计*

颜克文 吴赵兵 俞森吉 何 昕 刘 亮

(广州海格通信集团股份有限公司 广州 510663)



一款宽带低噪声放大器模块的设计*

颜克文 吴赵兵 俞森吉 何 昕 刘 亮

(广州海格通信集团股份有限公司 广州 510663)

低噪声放大器是接收机系统中极其重要的一部分,论文设计的低噪声放大器模块采用两级级联的甲类放大器形式,输入和输出端采用传输线变压器进行阻抗匹配,使得设计的放大器模块具有低噪声系数的同时也具有宽带特性,具有重要的参考意义。

低噪声; 放大器模块; 宽带; 噪声系数

Class Number TN72

1 引言

低噪声放大器的主要作用是放大天线从空中接收到的微弱信号,减少噪声干扰,以供系统解调出所需要的数据,当今,人们对各种无线通信工具的要求越来越高,如功率辐射要小、作用距离要远、覆盖范围要广等,这对系统的接收灵敏度提出了很高的要求[1],系统灵敏度的计算公式为

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

+S/N(dB)

从公式中可以看出,一旦系统带宽BW和信噪比S/N确定了,对系统的灵敏度起决定性作用的只有噪声系数NF,参考多级级联放大器的噪声系数公式:

NF=NF1+(NF2-1)/G1+(NF3-1)/G1G2+…

从上面噪声系数的公式也能明显地看出,第一级放大器的噪声在整个接收机系统中处于重要地位。所以,低噪声放大器的设计对整个系统是很重要的,而且是提高灵敏度的关键手段之一。

2 低噪声放大器的主要技术指标

低噪放放大器电路的技术指标包括:频率范围、增益、噪声系数、端口反射系数、三阶互调等,下面简单介绍主要技术指标和相互关系。

2.1 噪声系数NF

放大器的噪声系数NF定义如下:

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

Sin,Nin分别为输入端的信号功率和噪声功率;Sout,Nout分别为输出端的信号功率和噪声功率。噪声系数的物理含义是,信号经过放大器之后,由于放大器产生噪声,使得信噪比变坏,信噪比下降的倍数就是噪声系数[1]。

2.2 放大器的增益G

增益通常定义为传输给负载的平均功率与信号源的最大资用功率之比:

G=PL/PS

通常情况下,低噪声放大器都是按照噪声最佳匹配情况下的增益进行设计的,噪声最佳匹配点并非就是最大增益点,因此增益G要下降。

2.3 增益、噪声和动态范围之间的关系

接收系统增益确定之后,就要对增益进行分配。增益分配首先要考虑接收机系统的噪声系数。一般情况下,低噪声放大器的增益比较高,以减少放大器之后的器件或者模块对系统的噪声影响。但是,低噪声放大器的增益又不能太高,太高则会影响后级混频器的失真和接收机的动态范围。

3 阻抗匹配的基本原理

阻抗匹配的概念是射频电路设计中最基本的概念之一,贯穿射频电路设计始终,阻抗匹配就意味着源传递给负载最大的射频功率,换言之,要实现最大的功率传输,必须使负载阻抗与源阻抗想匹配。然而,它们的功能并不仅限于实现理想功率传输而在源和负载之间进行阻抗匹配。事实上,许多实际的匹配网络并不是仅仅为了减少功率损耗而设计的,它们还具有其他功能,比如减少噪声干扰、提高功率容量和提高频率响应的线性度等。通常认为,匹配网络的用途就是实现阻抗匹配,就是将给定的阻抗变换成其他更加合适的阻抗值。

3.1 阻抗匹配的考虑因素

1) 简单性:选择通过简单的电路实现匹配,可以使用更少的器件,减少损耗并降低成本,提高了可靠性。 2) 频带宽度:也就是匹配电路中的Q值,通常匹配电路的频带越宽,成本也会越高。 3) 电路种类:在实现一个匹配网络时,需要考虑匹配网络使用传输线的种类,然后确定使用匹配电路的种类。 4) 调节性:如果负载发生变化,匹配网络需要相应地调整来达到匹配的要求[2]。

3.2 阻抗匹配的电路种类和构成

在放大器的设计中常用的匹配电路有:集总元件匹配电路、微带线匹配电路和传输线变压器阻抗变换匹配电路等。

采用LC分立元器件集总参数元器件阻抗匹配网络,这种网络容易分析,并可以在1GHz频段的低端及更低的频段使用;采用微带线和微带线等分布参数元器件实现的匹配网络,这种网络特别适合于工作在1GHz以上频段,以及对电路垂直方向尺度有特殊要求的场合。传输线变压器是一种宽带阻抗匹配变换网络,有其固定的特性阻抗Zo,当Zo与负载电阻RL相等时,电磁波信号在传输线变压器上呈行波状态。当传输线的长度小于传输信号的λ/8时,可以近似认为电磁波在传输线上相位不变。传输线变压器的应用可分为两种:平衡与不平衡阻抗变换和特定比值的阻抗变换,常用于源和负载阻抗相差较大之间的阻抗匹配。同轴电缆变换器-合成器又称“巴伦”,这种变换器广泛地应用在宽带大功率放大器中,特别在VHF和UHF波段[3～7]。

4 常见晶体管放大电路的形式

常规晶体管放大电路采用共射电路的输入和输出,其阻抗居中,电压增益和电流增益较大;共集电路的输入阻抗最高,输出阻抗最低,电压增益小而接近1,输出和输入信号相位相同,即有跟随作用;共基电路的输入阻抗相对较低,输出阻抗最高,高频性能较好,同时也具有相对较大的隔离度,所以多用于宽带放大器和高频振荡器,本文采用共基放大电路的形式[8～10]。

5 宽带低噪声放大器模块设计

本文设计的宽带低噪声放大器电路选取甲类级联放大电路进行设计,使用宽的电压供电,使用相对较大的直流功耗换取较好的非线性特性,保证很好的动态范围;输入端变压器和输出端变压器实现对电路进行增益控制和阻抗匹配;前级和后级放大电路采用共基极放大形式,增加了模块输入和输出端的隔离度。采用BFP196W放大管,BFP196W是一款低噪声,低失真宽带NPN硅晶体管,转换频率高达7.5GHz。前级放大电路采用两个BFP196W并联放大,后级放大电路采用4个BFP196W并联放大的形式,多个放大管级联放大的形式使得系统更加的稳定可靠。为了有效地控制低噪放模块的增益,中间级可根据需要设计衰减网络,调节低噪放模块总的增益。功能框图如图1所示。

图1 低噪声放大器模块框图

采用ADS微波仿真软件对低噪放电路进行仿真,仿真的模型图如图2所示,仿真的S参数结果和低噪放稳定性系数如图3,噪声系数仿真结果如图4所示。从图中可以看出,在2MHz～50MHz范围内,增益大于12dB,稳定系数在全频段均大于1,说明低噪放电路是稳定的,噪声系数在2MHz频点为1.4dB,5MHz～50MHz的范围内噪声系数小于1dB,较好地满足了设计要求。

图2 低噪放电路仿真模型图

图3 S参数和稳定性系数仿真结果图

图4 低噪放电路模块噪声系数仿真结果图

图5和表1给出了设计的低噪放电路模块实际调试测试结果,从图5S参数的测试结果可以看出,低噪放电路模块的增益在2MHz～50MHz范围内大于13.5dB,反射系数S11和S22均小于-14dB,从表1可以看出在2MHz～50MHz范围内,低噪放电路模块实测的噪声系数小于1.2,很好的满足了设计要求。低噪放电路模块实物图如图6所示。

图5 低噪放电路模块实际S参数测试结果图

序号频点(MHz)噪声系数NF(dB)121．152151．103351．064451．055501．10

图6 低噪放电路模块实物图

6 结语

论文阐述了低噪声放大器在接收机系统中的重要性,介绍了低噪声放大器电路的主要技术指标、阻抗匹配的基本原理以及不同晶体管放大形式的特点。并设计了一款宽带低噪声放大器模块,低噪声放大器模块增益在2MHz～50MHz的频率范围内,增益大于13.5dB,反射系数小于-14dB,噪声系数小于1.2dB,其设计思想具有重要指导和参考意义。

[1] 徐兴福.ADS2008射频电路设计与仿真实例[M].北京:电子工业出版社,2009:59-143.

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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

颜克文,男,硕士,工程师,研究方向:射频电路设计。吴赵兵,男,硕士,工程师,研究方向:工业设计。俞森吉,男,硕士,工程师,研究方向:射频电路设计。何昕,男,硕士,工程师,研究方向:通信系统设计。刘亮,男,硕士,工程师,研究方向:数字硬件设计。

TN72

10.3969/j.issn1672-9730.2015.03.041