UHF宽带低噪声放大器设计

1 引言

低噪声放大器（low-noise amplifier，简称LNA）是射频接收机前端的主要部件。它的增益、噪声、线性度等直接影响整个电路系统的性能。UHF频段从300～3000MHz，是当前无线通信应用比较集中的一个频段，如WLAN、GPS、GSM等等，所以该频段对射频模块电路的需求量大。本文利用EM/circuit 协同仿真设计了一款覆盖整个UHF频段的宽带低噪声放大器，给出了具体实例。

2 LNA设计思路

主要设计指标：频率500～3000MHz，增益≥14dB，平坦度±0.5dB，输入输出回波损耗>10dB，NF≤1.4dB，输出P-1≥14dBm，工作电压3.3v，电流100mA。微波放大器根据功能可以分为低噪声放大器（LNA）, 功率放大器（PA）和驱动放大器（Driver Amplifier）。对于低噪声放大器的设计,器件选择十分重要，以噪声系数为评价指标对器件排序如下：HEMT>JFET,MESFET>HBT>BJT>CMOS我们综合成本和性能的要求，选择Agilent的ATF-54143，它是HEMT，噪声系数很低，而且在3GHz时，MAG还有19.77dB (Vds=3V，Ids=20mA)。

首先考虑放大器的稳定性，一般放大器不是全频带稳定的，将一个放大器简化为一个二端口网络，则无条件稳定条件可表示为:

(1)

(2)

(3)

从而可以得到输入和输出的稳定性判定因子及稳定系数分别为

(4)

(5)

(6)

(其中：Δ=S₁₁S₂₂ - S₂₁S₁₂)它们分别是源和负载端的稳定性判定因子，只要它们之中有一个大于1，另外一个也必然大于1，而且K也会大于1，此时放大器无条件稳定。对于LNA，电阻的出现会提高放大器的稳定性，降低放大器的增益，增加放大器的噪声，所以最好把稳定放大器的电阻放到输出端去，同时由于放大器一般是在某些频段不稳定的，这时可以对电阻元件引入并联或串联电容，使得电阻对某些特定频率进行较大衰减，这样将对不稳定频段的稳定性有所改善，同时尽可能少的影响其它频段的稳定系数K，这是因为

(7)

如果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。因为复阻抗通常随频率变化， 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际极限，如式(8)所示：

(8)

虽然有多种实现宽带放大器的技术，但是常用的主要有以下两种：平衡式放大器、反馈式放大器。基于成本和体积的考虑, 我们采用负反馈进行宽带放大器的设计。如图1所示的负反馈电路, 电阻元件R₁ 和R₂的优化初值选择依照下面公式：

(9)

(10)

图1 电阻负反馈电路

对于LNA，对于单级放大器而言，其噪声系数的计算为

(11)

其中F_min为晶体管的最小噪声系数，它由放大器晶体管本身决定，Γ_opt、Γ_s和R_n分别为获得最佳反射系数、晶体管输入端源反射系数以及晶体管的等噪声电阻。所以输入匹配电路主要让噪声系数最小，但为了保证增益、驻波和带宽的指标，输入输出匹配电路需要在Γ_opt、S₁₁、S₂₂和Gain之间取舍。采用谐振单元加传输线的结构来实现宽带LNA的设计,如图2所示。研究谐振单元加传输线的匹配特性，结果如图3所示。一般的匹配网络，如L型或者型电路等，它们的带宽是有限的，如果要达到宽带，需要混合使用，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，显然当各个点处的Q值相等时匹配结果最优，因为从(8)式可以看出，若有任意一点的Q值变大，整个带宽就会变小。下面给出一个采用谐振单元的例子如图2所示。从图3的仿真结果可以看到，由于谐振单元的电抗特性，在较宽的频带内可以达到较好的匹配效果。

图2 谐振单元加传输线的匹配电路

图3 匹配结果

3 LNA仿真、优化

在实际制作放大器时，必须考虑场效应管源极接地的影响。在频率较低时，其影响可以忽略不计，但在微波频段，接地情况直接恶化实际的性能。为考虑接地对信号传输的影响，采用ADS自带的momentum软件仿真实际封装下源极接地的影响，实际接地及其等效电路如图4。

图4 实际源极接地及其等效电路

利用上面的方法设计放大器电路图结构如图5所示:

图5 LNA原理图

优化电路使其满足设计指标，选择实际可以购买到的标称元件值，代入实际电容、电感的S参数模型，再次对微带线进行优化，当然此时也可以对元件值进行优化，有的厂商提供的数据是可以优化的。接下来进行EM/Circuit Co-Simulation，在ADS的layout中建立微带线、连接线、接头的模型，通过矩量法计算这些模型并封装成元件，并把它们代入原理电路中进行计算，再次微调元器件的值和微带线的尺寸，此时接头、连接线是不能变化的。最后得到仿真结果如下表

表1 LNA仿真结果

4 测试结果

我们搭建的测试系统和LNA电路如图6所示，整个电路尺寸为53mm×26mm。测试结果如图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，带内平坦度为0.5dB左右，输入输出回波损耗都大于10dB。由实测结果可以看出本文设计的宽带LNA基本达到技术指标要求。

图6 (a)测试系统; (b)实际LNA电路

图7 S₁₁和S₂₂的测试结果

图8 Gain和Noise Figure的测试结果

5 结论

本文利用EM/Circuit Co-Simulation设计了一款UHF宽带低噪声放大器。在原理电路的设计中采用电阻并联或串联电容的结构平衡增益和稳定性之间的矛盾，采用负反馈技术实现宽带效应，利用谐振单元加传输线来平衡噪声和增益之间的矛盾，采用实际封装接地的全波仿真保证了设计结果和仿真结果的吻合。本文详细分析并给出UHF波段宽带低噪声放大器的设计实例，对工程应用具有一定的参考价值。