0 引言

    低噪聲放大器(LNA)位于接收機的前端，是無線通信系統(tǒng)射頻接收機關鍵的單元模塊。隨著無線通信不斷快速發(fā)展，行業(yè)應用對射頻接收機的噪聲性能要求日益提高^[1]。現有北斗用戶接收機前端為接收S頻段信號，利用1 GHz～3 GHz射頻晶體管的低噪放設計方案^[2]，在滿足功率增益情況下，實際測試噪聲性能在1.5 dB～1.7 dB之間，相比最優(yōu)噪聲性能還有提高的可行性。

    本文研究基于可高帶寬傳輸的毫米波射頻晶體管ABS655進行低噪放設計，通過改善偏置電路的靜態(tài)工作點，采用線性穩(wěn)壓電路來減小電源噪聲干擾，并利用L-C匹配網絡實現端口阻抗匹配，以及利用北斗聲表濾波器進行選頻從而穩(wěn)定電路參數，減輕雜訊信號干擾。通過軟件仿真和實際測試，結果顯示該方案能在寬頻帶下實現增益Gain>30 dB，噪聲系數NF<1.3 dB，IIP3>15 dBm，顯著優(yōu)化了北斗三號衛(wèi)星導航接收機前端的指標設計要求，具有廣闊的應用前景。

1 系統(tǒng)要求和設計方案

    我國北斗有源定位衛(wèi)星系統(tǒng)(RDSS)和短報文通信主要應用于S頻段內，北斗三號衛(wèi)星信號到達地面時，最小功率電平為-163 dBW，最大信號帶寬為20.46 MHz，信號中心頻率為2 491.75 MHz。為捕獲北斗三號主要信號，要求低噪聲放大器工作帶寬大，工作頻率為2 492 MHz，帶內增益要求達到30 dB以上，噪聲系數小于1.3 dB，IIP3@2.49 GHz>15 dBm，輸入輸出駐波比小于1.5 dB。

    本次設計中采用的NPN寬帶硅鍺射頻晶體管ABS655，毫米波管芯覆蓋0～12 GHz，高增益、低噪聲、線性度好，可用于高速、低噪聲應用^[3]。單級放大器在2.492 GHz頻點上最高增益達25 dB，最小噪聲可達0.4 dB，但仍未達到設計要求。故方案采用兩級級聯(lián)結構，第一級與第二級之間采用共軛匹配，利用L-C網絡耦合方式，可有效增強放大器增益性能。為提高系統(tǒng)靈敏度需盡量減小放大器噪聲系數。設計利用ADS軟件仿真優(yōu)化^[4]，Altium designer進行版圖設計，最終實際測試。低噪放系統(tǒng)結構圖如圖1所示。

    由系統(tǒng)結構圖可知，為做頻率選擇，反射干擾頻率信號，在第一級輸入匹配網絡前采用TDK高通濾波器DEA162300HT，控制2.3 GHz以上頻率插損<0.4 dB，基本抑制2.3 GHz頻段以下信號，保留北斗信號主頻段^[5]。并在級間及第二級輸出匹配網絡后采用北斗帶通濾波器NDF9200，在2 487 MHz～2 497 MHz之間最大插損僅為3 dB，進一步降低干擾。

2 低噪聲放大器電路設計與仿真

2.1 靜態(tài)工作點測試及偏置電路設計

    利用寬帶硅鍺射頻晶體管ABS655的直流特性，通過查閱芯片手冊可以得到最小噪聲系數曲線圖和增益曲線圖，如圖2、圖3所示。

    放大器靜態(tài)工作點的合理設置是實現其交流性能的前提。通過芯片手冊看出，在V_CE=2 V，I_C=5 mA，f=2.492 GHz的條件下，增益最大達25 dB，噪聲系數為0.5 dB。根據KVL原則得到關系如式(1)、式(2)所示：

    根據實際寄生參數的影響，調整確定R₁=R₂=100 Ω，R_B=75 kΩ，最后確定偏置電路如圖4所示。此外，電路增加TPS79301低壓降線性穩(wěn)壓器，其噪聲低，電源電壓抑制比（PSRR）高，能有效減少外部電源帶給電路的干擾，且在一定程度上保護電源不受射頻信號的反向傷害。設置電源電壓3.6 V，提供給低噪放電路電壓為3 V，實際壓降0.6 V，如圖5所示。

2.2 穩(wěn)定性分析

    穩(wěn)定性是指放大器在外界環(huán)境和電路條件發(fā)生變化時，維持穩(wěn)定工作的能力。在確定低噪放工作頻率和偏置電路設計后，需在相應頻帶內保持穩(wěn)定才能正常工作。放大器的穩(wěn)定性分為絕對穩(wěn)定和相對穩(wěn)定。絕對穩(wěn)定又稱無源穩(wěn)定，是指在選定的工作頻率和偏置條件下，放大器在整個Smith圓圖內始終處于穩(wěn)定狀態(tài)。將放大器視為一個兩端口網絡，該網絡由S參量及外部終端條件下Γ_L和Γ_S確定。穩(wěn)定性意味著反射系數的模小于1。如式(3)～式(5)所示：

    此時放大器是無條件穩(wěn)定的。若不滿足，則會產生自激振蕩現象。

    為達到絕對穩(wěn)定狀態(tài)，高頻率下可采用在輸出端串聯(lián)或并聯(lián)小電阻的方法來增加穩(wěn)定性。為減小S₁₂帶來的正反饋，故在發(fā)射極與地之間串聯(lián)小電感，以引進負反饋網絡^[6-7]。在ADS軟件中對電路進行仿真得到穩(wěn)定性參數圖如圖6所示，結果顯示在0 GHz～14 GHz頻段下K>1，放大器均保持絕對穩(wěn)定。在實際的放大器測試過程中，利用微帶線代替電感，通過網絡分析儀對放大器的穩(wěn)定因子K進行測試，結果表明在空載時電路已達到絕對穩(wěn)定狀態(tài)。

2.3 匹配電路設計分析

    匹配電路網絡分輸入匹配、級間匹配和輸出匹配三部分。其中輸入匹配采用最佳源反射系數噪聲匹配以得到最小噪聲^[8]。輸入電路采用雙元件的L形匹配網絡，其可以有效降低回波損耗，并提高增益和頻帶內的穩(wěn)定性^[9]。仿真電路中加上微帶線模擬實際電路通道，以進一步為實際調試匹配提供根據。為實現匹配網絡在2.492 GHz頻點上實現良好匹配，調整匹配網絡的頻率響應,根據有載品質因素QL的公式(8)所示：

    其量值等于諧振頻率f₀與3 dB帶寬BW的比值。通過QL與BW關系可以調節(jié)頻率響應^[10]，然而BW往往在設計初便已被規(guī)定，故調節(jié)Q_L數值對頻率響應產生較大影響。實際中Q_L可以根據最大節(jié)點品質因數Qn來估算。故為增加Q值的可調范圍，調整電路帶寬特性，在輸入匹配網絡中引入元件L₂，增加一個節(jié)點并適當選擇該節(jié)點上的阻抗來控制Q_L值。L₂在偏置輸入電路上防止交流信號對電源損害，也對輸入端匹配的最佳噪聲點分布產生一定影響。而電感Q值大小會顯著影響輸入端電路損耗和噪聲表現，高電感Q值可減小輸入噪聲，從而影響整個電路的總噪聲^[11]。故在選用電感型號時，選用Murata LQG高頻電感，保證Q值盡量大。匹配網絡兩端的微帶線均采用50 Ω特性阻抗，根據匹配過程微帶線長度有所變化。電路如圖7所示。

    根據匹配電路設計原理，通過Smith圓圖設計出最佳噪聲系數圓圖^[12-13]，圖8、圖9分別是匹配前噪聲系數圓和最佳噪聲系數圓，由圖9可見，噪聲系數圓圓心m9已與Smith圓圖圓心重合，達到了最佳的匹配點，而增益圓圓心m10并未達到最佳增益點，故增益還需要進一步調試。輸入輸出端S參數仿真結果S₁₁、S₂₂如圖10、圖11所示，為在直流2 V/5 mA條件下，單級放大電路采用ABS655的S參數模型。在輸出通路上，大電容旁路接地能有效濾波，其中直流信號和交流信號已被電容和電感相互隔離，相互之間不受影響。且偏置電路上兩級均增加EMI三端陶瓷濾波電容器，以進一步將干擾信號濾除，保證電路正常工作。

    為達到最小噪聲系數，進行最佳噪聲系數圓匹配，接入射頻信號帶載調試，電路處在相對穩(wěn)定的狀態(tài)，一旦出現過度失配現象，會造成放大器自激振蕩，導致電路不能正常工作。尤其是第二級輸出端上直流通路上的電感L₈，在實際測試中對匹配點產生顯著的影響，臨界微小值的改變會造成電感內部的不穩(wěn)定，外部表現為電感兩端電壓不相同，導致偏置電路電流值發(fā)生變化，最終使低噪放無法正常工作。測試表明，當L₈電感值在0 nH～3 nH時匹配前后級網絡，電路保持穩(wěn)定，一旦電感值超過3.3 nH，則電路電流值出現異常，放大器陷入自激振蕩。綜合考慮后確定L₈值為3 nH，以保持低噪放相對穩(wěn)定正常工作和匹配參數良好。電路如圖12所示。

3 測試結果與性能分析

    高頻信號之間會產生電磁干擾和耦合，以及空間中各類信號干擾，設計不當會導致元器件間相互干擾，使電路不能正常工作。因此，本次設計利用Altium designer軟件，采用一字型布板，使輸入端盡可能遠離輸出端，減小信號耦合與反饋。偏置電路的饋電通路與主信號線垂直，避免通路上感性器件之間的互感干擾。

    低噪放的線性度是放大器在工作時需要考慮的重要因素之一，在電路分析中通常用三階交調截取點(IP3)衡量線性程度，本次設計仿真結果如圖13所示。在2.492 GHz頻點上，IIP3=17.2 dBm，OIP3=31 dBm，符合設計指標，實現了高線性度。

    根據版圖設計制作電路，通過Agilent噪聲系數儀測得噪聲系數NF。在直流功耗為15 mW，中心頻率為2 492 MHz，帶寬50 MHz條件下，噪聲系數NF=1.23 dB，增益Gain=32.72 dB，經計算輸入輸出駐波比<1.5，滿足設計要求。實際測試性能與參考文獻對比如表1所示。 

    由表1可知，相比于文獻[12]窄帶(8.16 MHz)電路設計，本文針對寬帶低噪放設計，噪聲系數略有上升，但能滿足北斗三號導航系統(tǒng)更大帶寬信號接收的要求；相比于文獻[15]，在同樣寬帶條件下，本文電路在噪聲性能上具有一定的優(yōu)勢。

    最終兩級北斗低噪聲放大器的實物效果如圖14所示。經過長期的測試，各項指標正常，無自激振蕩現象，符合北斗射頻前端設計要求，能滿足未來北斗三號衛(wèi)星導航接收機廣闊的工程應用。

4 結論

    本文基于毫米波管芯，研究一種可應用于北斗三號RDSS的低噪聲放大器。該方案采用兩級級聯(lián)結構，在包括前后端多個濾波器插損在內，實測結果表明在2.492 GHz頻點下，線性度高，增益大于30 dB，噪聲系數小于1.3 dB，噪聲性能參數理想，相較于現有S頻段低噪放設計方案，在各指標上均有明顯的優(yōu)化提升，可為北斗三號用戶接收機的后續(xù)開發(fā)提供可靠的應用支持。

參考文獻

[1] BEVILACQUA A，NIKNEJAD A M.An ultrawideband CMOS low-noise amplifier for 3.1-10.6-GHz wireless receivers[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，2004，39(12)：2259-2268.

[2] Sun Chao，Hu Haoquan，Pang Qianyun.Design of a S-band low noise amplifier[C].IEEE International Conference on Communiction Problem-solving，5-7 Dec.2014.

[3] 魏啟迪，林俊明，章國豪，等.應用于802.11ac的SiGe BiCMOS低噪聲放大器[J].電子技術應用，2018，44(7)：42-45，51.

[4] 陳烈強，顧穎言.利用ADS仿真設計射頻寬帶低噪聲放大器[J].微波學報，2010，26(S1)：288-291.

[5] 唐霆宇.一種小型化超寬帶接收前端的設計與實現[J].電子技術應用，2019，45(6)：11-14.

[6] 程曦，邱義杰.6-18 GHZ小型化低噪聲放大器的設計[J].微波學報，2012，28(5)：85-88.

[7] 王林，王軍，王丹丹.超寬帶低噪聲放大器的頻帶選擇性設計[J].電子技術應用，2016，42(11)：22-24，28.

[8] 孟慶斌，黃貴興，葛付偉，等.一種低噪放多級匹配網絡的設計與仿真[J].微波學報，2012(3)：61-65.

[9] 劉萌萌，張盛，王碩，等.一種CMOS超寬帶LNA的優(yōu)化設計方法[J].電子學報，2009，37(5)：1082-1086.

[10] LUDWIG R，BOGDANOV G.射頻電路設計：理論與應用[M].王子宇，王心悅，等，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2013.

[11] 彭龍新，林金庭，魏同立.寬帶單片低噪聲放大器[J].電子學報，2004，32(11)：1933-1937.

[12] 陳昊，蔡文郁，汪潤泉.基于ATF5143和SGL0622Z的北斗低噪放設計[J].杭州電子科技大學學報，2015，35(6)：23-27.

[13] 馬杰，王麗黎.北斗+GPS高性能低噪聲放大器的研究與設計[J].電子器件，2017，40(6)：1423-1436.

[14] 耿志卿.一種2.4GHz低功耗可變增益低噪聲放大器[J].微電子學，2019，49(1)：22-28.

[15] 韋可雷，郭敏，黃雷，等.2.4GHz低噪聲放大器設計[J].電子設計工程，2016，24(18)：172-174.

作者信息:

黃仕錦1，賴松林1，王宇楠2

(1.福州大學 物理與信息工程學院，福建 福州350108；

2.中國移動通信集團福建有限公司寧德分公司，福建 寧德352000)