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基于HP41511的LNA的设计

作者:时间:2010-06-22来源:网络收藏

0 引言

本文引用地址:http://www.amcfsurvey.com/article/260971.htm

随着通讯工业的飞速发展,人们对各种无线通讯工具的要求也越来越高。功率辐射小、作用距离远、覆盖范围大已成为各运营商乃至无线通讯设备制造商的普遍追求,而这也同时对系统的接收灵敏度提出了更高的要求。

1 微波的作用

一般情况下,一个接收系统的接收灵敏度可由以下计算公式来表示:

由上式可见,在各种特定(带宽BW、解调S/N已定)的无线通讯系统中,能有效提高灵敏度的关键因素就是降低接收机的NF,而决定接收机的关键部件则是处于接收机最前端的

图 1所示是接收机射频前端的原理框图。由图1可见,的主要作用是放大天线从空中接收到的微弱信号,降低噪声干扰,以供系统解调出所需的信息数据,所以,低噪声放大器的设计对整个接收机来说是至关重要的。

2 微波低噪声放大器的主要技术指标

2.1

噪声系数的定义为放大器输入信噪比与输出信噪比的比值,即:

对单级放大器而言,其噪声系数的计算为:

其中Fmin为晶体管最小噪声系数,是由放大器的管子本身决定的,Γopt、Rn和Γs分别为获得Fmin时的最佳源反射系数、晶体管等效噪声电阻以及晶体管输入端的源反射系数。

对多级放大器。其噪声系数的计算应为:

其中NFn为第n级放大器的噪声系数,Gn为第n级放大器的

对噪声系数要求较高的系统,由于噪声系数很小,用噪声系数表示很不方便,故常用噪声温度来表示,噪声温度与噪声系数的换算关系为:

其中Te为放大器的噪声温度,T0=2900K,NF为放大器的噪声系数。

2.2 放大器

放大器的定义为放大器输出功率与输入功率之比:

G=Pout/Pin (7)

通常提高低噪声放大器的增益对降低整机的噪声系数非常有利,但低噪声放大器的增益过高会影响整个接收机的动态范围。所以,一般来说,低噪声放大器的增益确定应与系统的整机噪声系数、接收机动态范围等结合起来考虑。

2.3 反射系数

由式(3)可知,当Γs=Γopt时,放大器的噪声系数最小,NF=NFmin,但此时从功率传输的角度来看,输入端会失配,所以,放大器的功率增益会降低,但有些时候,为了获得最小噪声,适当的牺牲一些增益也是低噪声放大器设计中经常采用的一种办法。

另外,低噪声放大器的输入输出驻波比、动态范围、工作频率、工作带宽及带内增益平坦度等指标也很重要,设计时也需加以考虑。

3 电路仿真设计

本电路设计要求的频率范围为1.95~2.05GHz,噪声系数:为Nf应小于2 dB,带内增益为G大于10 dB,输入,输出阻抗为50 Ω。现以上述指标来进行电路晶体管的选择以及ADS仿真。

3.1 晶体管的选择

根据放大器的性能要求,本设计选用HP 公司的AT-41511作为核心器件来进行设计。由于在ADS软件中包含有这种型号晶体管的器件模型,因此,在设计和仿真过程中可以直接使用,而不必再自己建造器件模型。

3.2 ADS仿真综合指标的实现

仿真时,可将噪声系数、放大器增益、稳定系数全部加入优化目标中进行优化,并通过对带内放大器增益的限制来满足增益平坦度指标,最终达到各个指标要求。反复调整优化方法并优化目标中的权重(Weight),也可以对输入匹配网络进行优化。但是,对部分电路指标的优化也可能导致其它某些指标的恶化,此时可以根据需要增加一些优化变量。

图2所示是经过一次随机优化的S参数图。

仿真结果表明,该电路基本上已经达到了比较好的性能,且具有良好的输入输出匹配,较高的增益和稳定系数,同时噪声系数也比较好。

3.3 封装模型仿真设计

进行完sp模型设计以后,还需要将sp模型替换为封装模型来做进一步设计。具体需要进行的工作如下:

(1) 将sp模型替换为封装模型;

(2)选择直流工作点并添加偏置电压;

(3)进行馈电电路的设计(电阻分压、扇形线、高阻线等的使用);

(4)替换为封装模型后各项参数可能会有所变化,如不满足技术指标,还可以对封装模型的原理图再进行仿真优化。

设计封装模型时。可用图3所示的电路来对器件的I-V特性进行仿真,以选择其直流工作点。

在设计偏置电路时,为了防止交流信号对直流电源的影响,可在电源与馈电点之间添加 1/4波长的高阻线以遏制交流信号。如果电路中有终端短路的微带线,为了避免直流短路,还应在接地端插入隔直电容。

4 结束语

从仿真设计的过程可以看到,使用Agilent公司的ADS软件进行射频电路设计、仿真和优化是非常方便的。它含有丰富原理图模型库、多种仿真分析方式和一系列使用简便而功能强大的设计工具。这都可使复杂的射频电路设计工作变得简便快捷,省去了大量人工计算设计的过程,提高了设计工作效率。本文给出的微波低噪声放大器的设计还是比较成功的,基本达到了指标要求。




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