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低噪聲放大器設計指南


低噪聲放大器設計指南           

1低噪聲放大器在通訊系統中的作用

隨著通訊工業的飛速發展,人們對各種無線通訊工具的要求也越來越高,功率輻射小、作用距離遠、覆蓋范圍大已成為各運營商乃至無線通訊設備制造商的普遍追求,這就對系統的接收靈敏度提出了更高的要求,我們知道,系統接收靈敏度的計算公式如下:

                  S=-174+NF+10BW+S/N……………………(1

由上式可見,在各種特定(帶寬、解調S/N已定)的無線通訊系統中,能有效提高靈敏度的關鍵因素就是降低接收機的噪聲系數NF,而決定接收機的噪聲系數的關鍵部件就是處于接收機*前端的低噪聲放大器。低噪聲放大器的主要作用是放大天線從空中接收到的微弱信號,降低噪聲干擾,以供系統解調出所需的信息數據,所以低噪聲放大器的設計對整個接收機來說是至關重要的。

2. 低噪聲放大器的主要技術指標:

21 噪聲系數NF

噪聲系數的定義為放大器輸入信噪比與輸出信噪比的比值,即:


3


對單級放大器而言,其噪聲系數的計算為:
其中 Fmin為晶體管*小噪聲系數,是由放大器的管子本身決定的,Γopt、RnΓs分別為獲得 Fmin時的*佳源反射系數、晶體管等效噪聲電阻、以及晶體管輸入端的源反射系數。

對多級放大器而言,其噪聲系數的計算為:

                NF=NF+(NF-1)/G+(NF-1)/G G +……          4

其中NFn為第n級放大器的噪聲系數,Gn為第n級放大器的增益。

在某些噪聲系數要求非常高的系統,由于噪聲系數很小,用噪聲系數表示很不方便,常常用噪聲溫度來表示,噪聲溫度與噪聲系數的換算關系為:

            Te=T0(NF 1 )                                      5

其中Te  為放大器的噪聲溫度,T0 =2900 K,NF為放大器的噪聲系數。

                NF(dB) = 10LgNF                                       6 

2.2放大器增益G

放大器的增益定義為放大器輸出功率與輸入功率的比值:

          G=Pout / Pin                                             7

    從式(4)中可見,提高低噪聲放大器的增益對降低整機的噪聲系數非常有利,但低噪聲放大器的增益過高會影響整個接收機的動態范圍。所以,一般來說低噪聲放大器的增益確定應與系統的整機噪聲系數、接收機動態范圍等結合起來考慮。

2.3輸入輸出的駐波比:

     低噪聲放大器的輸入輸出駐波比表征了其輸入輸出回路的匹配情況,我們在設計低噪聲放大器的匹配電路時,輸入匹配網絡一般為獲得*小噪聲而設計為接近*佳噪聲匹配網絡而不是*佳功率匹配網絡,而輸出匹配網絡一般是為獲得*大功率和*低駐波比而設計,所以,低噪聲放大器的輸入端總是存在某種失配。這種失配在某些情況下會使系統不穩定,一般情況下,為了減小放大器輸入端失配所引起的端口反射對系統的影響,可用插損很小的隔離器等其他措施來解決。

2.4反射系數:

     由式3可知,當Γs  = Γopt 時,放大器的噪聲系數*小,NF=NFmin ,但此時從功率傳輸的角度來看,輸入端是失配的,所以放大器的功率增益會降低,但有些時候為了獲得*小噪聲,適當的犧牲一些增益也低噪聲放大器設計中經常采用的一種辦法。

2. 5放大器的動態范圍(IIP3

在低噪聲放大器的設計中,應充分考慮整個接收機的動態范圍,以免在接收機后級造成嚴重的非線性失真,一般應選擇低噪聲放大器的輸入三階交調點IIP3較高一點,至少比*大輸入信號高30dB,以免大信號輸入時產生非線性失真。

除以上各項外,低噪聲放大器的工作頻率、工作帶寬及通帶內的增益平坦度等指標也很重要,設計時要認真考慮。

3.低噪聲放大器的設計方法:

3.1 低噪聲放大管的選擇原則

對微波電路中應用的低噪聲放大管的主要要求高增益和低噪聲以及足夠的動態范圍,目前雙極型低噪聲管的工作頻率可以達到幾個千兆噪聲系數為幾個分貝,而砷化鎵小信號的場效應管的工作頻率更高,噪聲系數可在1分貝以下。

 我們在選取低噪聲放大器管通??梢詮囊韵聨讉€方面進行考慮:

1) 微波低噪聲管的噪聲系數足夠小工作頻段足夠高,晶體管的fT一般要比工作頻率高4倍以上,現在PHEMT場效應管的噪聲系數在2GHz可在0.5dB左右,工作頻率優異可達到6GHz。

    2)微波低噪聲管要有足夠高的增益和高的動態范圍,一般要求放大器工作增益大于10dB以上, 當輸入信號達到系統*大值時由放大器非線性引起的交調產物小于系統本底噪聲,對于ZXPCS大基站項目由于*大輸入信號小于-44dBm,考慮到放大器13dB左右增益,我們選取了ATF34143 場效應管它的增益可達15dB,OIP330dBm左右。

3.2 輸入輸出匹配電路的設計原則

    對于單級晶體管放大器的噪聲系數,如上式(3)所示,式(3)可以化成一個圓的表達式,即等噪聲系數圓。圓上每一點代表一個能產生恒定噪聲系數NF的源反射系數。如要獲得需要的噪聲系數,只要在圓圖上畫出對應于這個噪聲系數的圓,然后將源阻抗匹配到這個圓上的一個點就行了。實際設計中由于要兼顧到放大器的增益,通常我們不取*小噪聲系數。在對放大器進行單項化設計時(假定S120),轉移功率增益GT可以由如下公式表示

GT=G0G1G2

     其中                        ,   對于特定的晶體管S11、S22是確定的,                                        不同的源反射系數Γ1 和負載反射系數Γ2 ,可以構成恒定增益圓,設計時只須將源和負載反射系數分別匹配到相應的圓上,便能得到相應的增益。將恒定增益圓與等噪聲系數圓結合起來設計,便能得到比較理想的結果。另外設計中還要注意增益平坦設計主要是優異共軛匹配,低端校正,一般還需在多個中間頻率上進行增益規定性校驗,在高頻應用時由于微波晶體管本身的增益一般隨著頻率的升高而降低,為了保證電路在低頻率段的增益恒定和穩定性可以考慮在輸入輸出端采用高通匹配方式。

   在以上的討論中我們忽略了晶體管的反向傳輸系數,實際中微波場效應晶體管和雙極性晶體管都存在內部反饋,微波管的S12就表示內部反饋量,它是電壓波的反向傳輸系數。S12越大,內部反饋越強,反饋量達到一定強度時,將會引起放大器穩定性變壞,甚至產生自激振蕩。微波管的S21代表電壓波的正向傳輸系數,也就是放大倍數。S21越大,則放大以后的功率越強。在同樣的反饋系數S12的情況下,S21越大當然反饋的功率也越強,因此S21也影響放大器的穩定性。

一個微波管的射頻優良穩定條件是

                            

 

 其中     

K稱為穩定性判別系數,K大于1是穩定狀態,只有當式(24)中的三個條件都滿足時,才能保證放大器是優良穩定的。

實際設計時為了保證低噪聲放大器穩定工作還要注意使放大器避開潛在不穩定區。

為改善微波管自身穩定性,有以下幾種方式:

1)串接阻抗負反饋

    MESFET的源極和地之間串接一個阻抗元件,從而構成負反饋電路。對于雙極晶體管則是在發射極經反饋元件接地。在實際的微波放大器電路中,電路尺寸很小,外接阻抗元件難以實現,因此反饋元件常用一段微帶線來代替,它相當于電感性元件的負反饋。

2) 用鐵氧體隔離器

鐵氧體隔離器應該加在天線與放大器之間,假定鐵氧體隔離器的正向功率衰減微為a,反向功率衰減為b,且a31,b>1。則=     

G0為加隔離器前的反射系數,G為加隔離器后的反射系數。

    用以改善穩定性的隔離器應該具有的特性是:

(1)        頻帶必須很寬,要能夠覆蓋低噪聲放大器不穩定頻率范圍;

(2)        反向隔離度并不要求太高;

(3)        正向衰減只需保證工作頻帶之內有較小衰減,以免影響整機噪聲系數,而工作頻帶外,則沒有要求。

(4)        隔離器本身端口駐波比要小。

3)穩定衰減器

 P型阻性衰減器是一種簡易可行的改善放大器穩定性的措施,通常接在低噪聲放大器末級輸出口,有時也可以加在低噪聲放大器內的級間,由于衰減器是阻型衰減,不能加在輸入口或前級的級間,以免影響噪聲系數。在不少情況下,放大器輸出口潛在不穩定區較大,在輸出端加P型阻性衰減器,對改善穩定性相當有效。

 

3.3電路中需要注意的一些問題

     一般對于低噪聲放大器采用高Q值的電感完成偏置和匹配功能,由于電阻會產生附加的熱噪聲,放大器的輸入端應盡量避免直接連接到偏置電阻上。

用于低噪聲放大器的印制板應具有損耗小,易于加工,性質穩定的特點,材料的物理和電氣性能均勻(特別是介電常數和厚度),同時對材料的表面光潔度有一定要求,通常我們可以采用以FR-4(介電常數4~5之間),為基片的   板材,如電路要求較高可采用以氧化鋁陶瓷等材料為基片的微波板材,在PCB布板中則要考慮到鄰近相關電路的影響,注意濾波、接地和外電路干擾問題設計中要滿足電磁兼容設計原則。

4. 目前低噪聲放大器方面的設計手段。

目前低噪聲放大器的設計普遍采用CAD的方法進行仿真,國內較流行的有EESOF、MWOffice   ADS等軟件。相對而言Agilent 公司的ADS 功能強大、簡明直觀應用范圍較廣,我公司的LNA基本上都采用了ADS進行了仿真效果良好。

5. 目前同行業低噪放的發展水平

    隨著半導體器件的發展,低噪聲放大器的性能不斷提高,采用PHEMT 場效應晶體管的低噪聲放大器的在800MHz頻段噪聲系數可達到0.4dB,增益約17dB左右,1900MHz頻段噪聲系數可達到0.6增益為15dB左右。

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