摘  要： 針對(duì)國內(nèi)北斗行業(yè)的發(fā)展，介紹了一種適用于北斗B3頻段的低噪聲放大器的設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)方法，并給出了設(shè)計(jì)結(jié)果。為了達(dá)到更好的增益，采用了3級(jí)級(jí)聯(lián)的方式。最終設(shè)計(jì)出的低噪聲放大器在B3頻段內(nèi)的增益為（40±0.5）dB，輸入駐波系數(shù)小于1.5，輸出駐波系數(shù)小于1.2，噪聲系數(shù)小于1 dB，在全頻段內(nèi)無條件穩(wěn)定。

　　關(guān)鍵詞： 低噪聲放大器；北斗；噪聲系數(shù)

0 引言

　　隨著國內(nèi)北斗定位系統(tǒng)的不斷完善，國內(nèi)已有很多學(xué)者著手研究適用于北斗頻段的天線和濾波器，本設(shè)計(jì)適用于BD3的低噪聲放大器，將實(shí)現(xiàn)對(duì)BD3頻段低噪聲放大。低噪聲放大器常用于接收系統(tǒng)的前端，其性能的好壞直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的性能。低噪聲放大器的性能指標(biāo)主要是噪聲系數(shù)、增益、工作頻帶、電壓駐波比和帶內(nèi)平坦度等，尤其是噪聲系數(shù)和增益對(duì)整機(jī)性能影響較大。如果工程中需要的增益比較大，就需要多級(jí)放大器級(jí)聯(lián)，多個(gè)放大器級(jí)聯(lián)的噪聲系數(shù)為：

　　其中，Nf表示總的噪聲系數(shù)，Ni表示第i級(jí)的噪聲系數(shù)，Gi表示第i級(jí)的增益[1]。從式（1）可以看出，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)影響比較大的是第一級(jí)的噪聲系數(shù)，因此本文設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在第一級(jí)，選擇安華高公司的一種低噪聲元器件ATF34143；考慮到整體尺寸的要求，第二級(jí)和第三極采用RFMD公司的SPF5043z。本文設(shè)計(jì)的LNA的中心頻率為1 268.52 MHz，帶寬為20 MHz，適用于北斗的B3頻段（B1中心頻率為1 268.52 MHz，帶寬為20 MHz）。

1 技術(shù)指標(biāo)

　　低噪聲放大器的主要技術(shù)指標(biāo)如下：工作頻率為   1 258 MHz~1 278 MHz，中心頻率為1 268.52 MHz，要求全頻帶穩(wěn)定；增益>37 dB，平坦度<0.5 dB；噪聲系數(shù)<1 dB，輸入駐波比<1.5，輸出駐波比<1.2；介電常數(shù)Er=2.65，板材厚度為0.8 mm；外形尺寸為20 mm ×40 mm。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和芯片的選擇

　　高性能的低噪聲放大器得益于它的高增益和低噪聲系數(shù)，可以應(yīng)用在轉(zhuǎn)發(fā)器、抗干擾等更多的實(shí)際應(yīng)用中。設(shè)計(jì)中對(duì)整體的結(jié)構(gòu)布局如圖1所示。

　　圖1中第一級(jí)采用的是安華高公司的一種低噪聲的元器件ATF34143，可以通過Advanced Design System（ADS）對(duì)其進(jìn)行偏置電路的設(shè)計(jì)、穩(wěn)定性分析以及輸入輸出的匹配；第二級(jí)和第三級(jí)選擇了RFMD公司的SPF5043z（是一種集成的低噪聲放大器模塊，不需要額外的匹配電路），這樣就大大節(jié)省了電路的尺寸，并縮小了空間尺寸。再者設(shè)計(jì)的第二級(jí)與第三級(jí)之間加入了帶通濾波器TA0862a（一種輸入輸出都是50 、適用于B3的帶通濾波器[2]），擁有較好的通帶內(nèi)的平坦度和帶內(nèi)損耗，如表1所示。

3 低噪聲放大器電路的設(shè)計(jì)和匹配

　　第一級(jí)選用了低噪聲元器件ATF34143，根據(jù)芯片的特點(diǎn)，選定了其在3 V、20 mA工作狀態(tài)的S2P文件，與TRL校準(zhǔn)提取的S參數(shù)比對(duì)以后進(jìn)行了穩(wěn)定性分析以及輸入輸出端的匹配。在ADS中導(dǎo)入S2P文件以后對(duì)電路做穩(wěn)定性分析。

　　穩(wěn)定性要滿足的3個(gè)條件：

　　K稱為穩(wěn)定判別系數(shù)，K>1是穩(wěn)定狀態(tài)。只有當(dāng)3個(gè)條件都滿足時(shí)，才能保證放大器是絕對(duì)穩(wěn)定的[1]。一般采取的穩(wěn)定性措施有：（1）引入負(fù)反饋；（2）在管子的輸入或者輸出端口串并聯(lián)電阻。這兩種方法都有效，但是一般在設(shè)計(jì)中往往采取多種方法相組合的方式來做穩(wěn)定[3]。圖2是已經(jīng)做好穩(wěn)定性的電路，在其輸入端口并聯(lián)了50 ?贅的電阻，輸出端口串聯(lián)了一個(gè)22 和并聯(lián)了一個(gè)500 ?贅的電阻，并加入了負(fù)反饋。圖3為穩(wěn)定性曲線，可以看到在0~10 GHz大于1的情況下都是穩(wěn)定的，確保了芯片工作在穩(wěn)定狀態(tài)。

　　在設(shè)計(jì)低噪聲放大器時(shí)，既要求最好的噪聲系數(shù)，又要求最大的增益。因此在調(diào)節(jié)整個(gè)電路的穩(wěn)定性時(shí)，就要考慮到最好增益和最佳噪聲系數(shù)之間的關(guān)系[4]，圖4為等增益圓和等噪聲系數(shù)的smith圓圖。

　　最佳噪聲和增益點(diǎn)的匹配是低噪聲放大器設(shè)計(jì)關(guān)鍵，GammaS是源反射系數(shù)的最佳值，是從分立元件向源看去的。圖4中增益圓，其步進(jìn)為1 dB，增益圓圓心代表著最佳增益點(diǎn)，短實(shí)連續(xù)線為等噪聲系數(shù)圓，其步進(jìn)為0.2 dB，其圓心代表著最佳的噪聲點(diǎn)。因此，為了獲得較好的噪聲系數(shù)和較好的增益，在設(shè)計(jì)的過程中盡量使S*11與GammaS相接近。圖4中m6為BD3的中心頻率1 268 MHz的S11（實(shí)線）所在的點(diǎn)，對(duì)其取共軛，可以想象它與GammaS非常接近。調(diào)整好最佳的源反射系數(shù)以后，就要對(duì)其進(jìn)行輸入輸出匹配，匹配的電路如圖5所示。仿真結(jié)果如圖6所示。

　　第二級(jí)和第三級(jí)采用的是RFMD公司的SPF5043z，它是一種理論上不需要匹配的集成的低噪聲放大器模塊，但是實(shí)際中可能需要調(diào)整，這對(duì)于整體的電路設(shè)計(jì)尺寸來說減少了后兩級(jí)的匹配網(wǎng)絡(luò)，大大節(jié)省了空間，縮小了整體的尺寸，這對(duì)于實(shí)際工程應(yīng)用意義重大。芯片手冊(cè)給出的SPF5043z的電路如圖7所示[5-6]。

4 測(cè)試的結(jié)果

　　低噪聲放大器的測(cè)量內(nèi)容主要為S參數(shù)和噪聲系數(shù)，S參數(shù)的測(cè)量采用Agilent的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，測(cè)量的結(jié)果如圖8所示，圖中的中心頻率為1 268.52 MHz，Span=20 MHz，圖中包含S11、S21、S12、S22以及輸入輸出端的smith圓圖，輸入端口的回波損耗>20 dB，換算后的輸入端口的駐波系數(shù)<1.2，輸出端口的回波損耗>20 dB，換算后的輸出端口的回波損耗<1.2，增益以及平坦度為（40±0.5） dB，滿足設(shè)計(jì)要求。噪聲系數(shù)的測(cè)量采用Agilent噪聲分析儀測(cè)試，由于低噪聲放大器的增益比較大，為保護(hù)噪聲系數(shù)分析儀，在低噪聲放大器的輸出端口加入了20 dB左右的衰減器，確保其在安全范圍內(nèi)。最終測(cè)定的噪聲系數(shù)以及加上20 dB衰減以后的增益如表2所示，噪聲系數(shù)在通帶內(nèi)<1 dB，比較理想，增益與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)的相比也比較吻合，能夠滿足較多工程的應(yīng)用要求。

5 結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)出的BD3低噪聲放大器的性能參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求，性能參數(shù)比較理想，其較低的噪聲系數(shù)和較高的增益以及平坦度，可以應(yīng)用在信號(hào)的接收、轉(zhuǎn)發(fā)器、抗干擾等實(shí)際工程應(yīng)用中，具有良好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 徐興福.ADS2008射頻電路設(shè)計(jì)與仿真實(shí)例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

　　[2] TAI-SAW Technology Co.. TA0862A 北斗B1和GPS L1的濾波器芯片資料[S].TAI-SAW Technology Co.，2013.

　　[3] LUDWIG R. RF circuit design： theory and applications[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002.

　　[4] 盧洪樹，張曉發(fā)，袁乃昌．帶有新型偏置電路的X波段低噪聲放大器設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39（06）：40-42.

　　[5] ENGEN G F， HOER C A. Thru-reflect-line： an improved technique for calibrating the dual six-port automatic network analyzer[J].  IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques， 1979，27（12）：987-993.

　　[6] RFMD.SPF5043z 芯片資料[S]. RF Micro Devices，2004.