UHF宽带低噪声放大器规划

1 导言

低噪声放大器（low-noise amplifier，简称LNA）是射频接收机前端的首要部件。它的增益、噪声、线性度等直接影响整个电路体系的功用。UHF频段从300～3000MHz，是当时无线通信运用比较会集的一个频段，如WLAN、GPS、GSM等等，所以该频段对射频模块电路的需求量大。本文运用EM/circuit 协同仿真规划了一款掩盖整个UHF频段的宽带低噪声放大器，给出了详细实例。

2 LNA规划思路

首要规划目标：频率500～3000MHz，增益≥14dB，平整度±0.5dB，输入输出回波损耗>10dB，NF≤1.4dB，输出P-1≥14dBm，作业电压3.3v，电流100mA。微波放大器依据功用能够分为低噪声放大器（LNA）, 功率放大器（PA）和驱动放大器（Driver Amplifier）。关于低噪声放大器的规划,器材挑选十分重要，以噪声系数为点评目标对器材排序如下：HEMT>JFET,MESFET>HBT>BJT>CMOS咱们归纳本钱和功用的要求，挑选Agilent的ATF-54143，它是HEMT，噪声系数很低，并且在3GHz时，MAG还有19.77dB (Vds=3V，Ids=20mA)。

首要考虑放大器的安稳性，一般放大器不是全频带安稳的，将一个放大器简化为一个二端口网络，则无条件安稳条件可表示为:

(1)

(2)

(3)

然后能够得到输入和输出的安稳性断定因子及安稳系数分别为

(4)

(5)

(6)

(其间：Δ=S₁₁S₂₂ – S₂₁S₁₂)它们分别是源和负载端的安稳性断定因子，只需它们之中有一个大于1，别的一个也必定大于1，并且K也会大于1，此刻放大器无条件安稳。关于LNA，电阻的呈现会进步放大器的安稳性，下降放大器的增益，添加放大器的噪声，所以最好把安稳放大器的电阻放到输出端去，一起因为放大器一般是在某些频段不安稳的，这时能够对电阻元件引进并联或串联电容，使得电阻对某些特定频率进行较大衰减，这样将对不安稳频段的安稳性有所改善，一起尽可能少的影响其它频段的安稳系数K，这是因为

(7)

假如K值过大，放大器的增益下降会很厉害，一般K取1.1左右比较好。宽带阻抗匹配是一个困难的问题。因为复阻抗一般随频率改变， Bode和Fano等人指出，当存在电抗元件时，在宽带匹配方面有一个实践极限，如式(8)所示：

(8)

虽然有多种完成宽带放大器的技能，可是常用的首要有以下两种：平衡式放大器、反应式放大器。根据本钱和体积的考虑, 咱们选用负反应进行宽带放大器的规划。如图1所示的负反应电路, 电阻元件R₁ 和R₂的优化初值挑选按照下面公式：

(9)

(10)

图1 电阻负反应电路

关于LNA，关于单级放大器而言，其噪声系数的核算为

(11)

其间F_min为晶体管的最小噪声系数，它由放大器晶体管自身决议，Γ_opt、Γ_s和R_n分别为取得最佳反射系数、晶体管输入端源反射系数以及晶体管的等噪声电阻。所以输入匹配电路首要让噪声系数最小，但为了确保增益、驻波和带宽的目标，输入输出匹配电路需求在Γ_opt、S₁₁、S₂₂和Gain之间取舍。选用谐振单元加传输线的结构来完成宽带LNA的规划,如图2所示。研讨谐振单元加传输线的匹配特性，成果如图3所示。一般的匹配网络，如L型或许型电路等，它们的带宽是有限的，假如要到达宽带，需求混合运用，而其在Smith圆图上，经过每一个元件匹配后的Q值都不能变大，明显当各个点处的Q值持平时匹配成果最优，因为从(8)式能够看出，若有恣意一点的Q值变大，整个带宽就会变小。下面给出一个选用谐振单元的比如如图2所示。从图3的仿真成果能够看到，因为谐振单元的电抗特性，在较宽的频带内能够到达较好的匹配作用。

图2 谐振单元加传输线的匹配电路

图3 匹配成果

3 LNA仿真、优化

在实践制造放大器时，有必要考虑场效应管源极接地的影响。在频率较低时，其影响能够忽略不计，但在微波频段，接地状况直接恶化实践的功用。为考虑接地对信号传输的影响，选用ADS自带的momentum软件仿真实践封装下源极接地的影响，实践接地及其等效电路如图4。

图4 实践源极接地及其等效电路

运用上面的办法规划放大器电路图结构如图5所示:

图5 LNA原理图

优化电路使其满意规划目标，挑选实践能够购买到的标称元件值，代入实践电容、电感的S参数模型，再次对微带线进行优化，当然此刻也能够对元件值进行优化，有的厂商供给的数据是能够优化的。接下来进行EM/Circuit Co-Simulation，在ADS的layout中树立微带线、连接线、接头的模型，经过矩量法核算这些模型并封装成元件，并把它们代入原理电路中进行核算，再次微调元器材的值和微带线的尺度，此刻接头、连接线是不能改变的。最终得到仿真成果如下表

表1 LNA仿真成果

4 测验成果

咱们建立的测验体系和LNA电路如图6所示，整个电路尺度为53mm×26mm。测验成果如图7和图8所示，该低噪放在0.5~3GHz UHF频段内噪声系数小于1.48，增益大于14.5dB，带内平整度为0.5dB左右，输入输出回波损耗都大于10dB。由实测成果能够看出本文规划的宽带LNA根本到达技能目标要求。

图6 (a)测验体系; (b)实践LNA电路

图7 S₁₁和S₂₂的测验成果

图8 Gain和Noise Figure的测验成果

5 定论

本文运用EM/Circuit Co-Simulation规划了一款UHF宽带低噪声放大器。在原理电路的规划中选用电阻并联或串联%&&&&&%的结构平衡增益和安稳性之间的对立，选用负反应技能完成宽带效应，运用谐振单元加传输线来平衡噪声和增益之间的对立，选用实践封装接地的全波仿真确保了规划成果和仿真成果的符合。本文详细分析并给出UHF波段宽带低噪声放大器的规划实例，对工程运用具有必定的参考价值。