2.4GHz低噪声放大器的研究

摘要:低噪声放大器是对来自天线的微伏级信号进行放大的射频接收端的放大模块。该低噪声放大器主要由输入匹配网络、微波晶体管放大器和输出匹配网络组成。匹配网络采用微带线形式建立,微波晶体管采用NPN硅晶体管BFP420。利用Microwave Office进行电路仿真和优化。该放大器满足小信号放大器的指标要求,可以用于射频接入电路的前端。

关键词:无线接入射频电路; 低噪声放大器; 晶体管
　
引　言

无线接入射频电路很多应用在小型设备或便携式电子产品中,如:笔记本,PDA,手机等;目的是实现设备之间的无线连接和信息交换。低噪声放大器在射频电路中是非常重要的。低噪声微波晶体管放大器已广泛地应用于宇宙通讯、雷达、电子对抗、遥测遥控、射电天文、大地测绘、微波通信、电视以及各种高精度的微波测量系统中的前端低噪声放大器,以完成对微弱信号的放大作用。因此,对低噪声微波晶体管放大器的基本要求是:噪声系数低、足够的功率增益、工作稳定可靠、足够的带宽和较大的动态范围等。此外,在不同的应用情况下,可能对其体积、重量、耗电量等等提出限制性要求。微波晶体管放大器还在向更高工作频率、低噪声、宽频带、集成化和标准化发展。本文主要是通过研究低噪声放大器的稳定性、噪声、增益,设计一个满足技术指标的低噪声放大器。放大器模块采用高增益低噪声NPN晶体管BFP420设计,具有较低的噪声系数和合适的增益,在射频通信电路中能满足电路的要求。

1 　低噪声放大器组成

低噪声放大器由输入匹配网络、微波晶体管放大器和输出匹配网络组成。匹配网络采用微带线、分支调节器和波长阻抗变换器建立。低噪声放大器的组成框图,如图1所示。

图1 　低噪声放大器组成框图

图1中,左边方框是输入匹配网络,其增益G_S;中间方框是晶体管网络,其增益G₀;右边框输出匹配网络,其增益G_L。选定晶体管和确定偏置后,在已定频率下的S参数是确定的。然后再利用S参数设计匹配网络。

2 　噪声分析及S 参数

2. 1 　噪声分析
在噪声研究中,噪声的定义是非常重要的:


由式1可以看到,不管频段的中心在何处,噪声电压都正比于带宽的平方根。电抗分量不产生热噪声。用的电阻不单单是器件或元件的直流电阻,确切说是复阻抗的实部。双极型晶体管的最佳信号源阻抗和最小噪声系数是:


由式2、3 可以看到,提高偏置电流可以增大g_m,从而降低最佳的源内阻R_Sopt ,但是也使最小噪声系数变大。比较有效的方法是采用基区面积较大的双极型晶体管,它的基区体电阻r_bb′小,从而使得最佳的源内阻和噪声系数都降低。 多级级联网络前级的噪声系数对系统影响较大。为降低多级级联系统的噪声系数,必须降低第一、二级的噪声系数并适当提高它们的功率增益,以降低后面各级噪声对系统的影响。由此可以得知,采用单级若能满足指标的电路,不要采用两级或者两级以上的电路,防止引入新的噪声。

2. 2 　S参数设计
一个晶体管放大器是双端口网络,它的两个端口分别接信号源和负载,用4个S参数来描述入射波和反射波之间的关系。有了双端口网络的S参数,可以方便地计算放大器的各种参数:
(1) 稳定系数K


无条件稳定的条件| △| > 1 ,K< 1。当K小于1的时候,要在Smith圆图上画出不稳定区,然后设计匹配电路使之接近共轭匹配而避开不稳定区,此时增益接近G_max ;

(2) 输入输出端的等增益圆方程
输入端


输出端


式中,D_S = 1 - | S₁₁|²(1 - g_s) ,D_L = 1 - | S₂₂| ² (1 - gL) ,Γ_S = U_S + jV_S ,Γ_L = U_L + jV_L ,S₁₁ = A₁₁ + jB₁₁ ,s₂₂ = A₂₂ + jB₂₂ 。

由式5、6 圆方程得到圆心实部和虚部及半径。
输入端

　　　　　
输出端


根据公式可以将归一化的等增益圆画在Smith圆图上,在圆上选择满足要求的点,即可以得到对应反射系数Γ_S和Γ_L的值,然后就可以设计电路。

3 　低噪声放大器电路实现

根据低噪声放大器的指标:工作频率2.4GHz ,增益大于10dB,噪声系数F小于1.8dB。选择INFINEON公司生产的NPN硅晶体管BFP420,在2.4GHz(偏置条件:V_CE = 2V ,I_C = 5mA) 具有如下S参数:

　　　　　 S₁₁ = 0. 501 5 ∠- 172. 1°, 　　　S₁₂ = 0. 085 5 ∠32. 8°,
　　　　　　S₂₁ = 4. 738 ∠70. 1°, 　　　　　S₂₂ = 0. 345 ∠76. 8°,
　　　　　　F_min = 1. 25dB ,r_n = R_n/ 50 = 0. 11,Γ_opt = 0. 2 ∠124°。

(1) 稳定性。由式4计算得K=0. 84 < 1 ,| △| = 0.24 < 1潜在不稳定。计算不稳定区域:

　　　　　　r_S = 2. 09 ,C_S = - 2.97 + j0.308 = 2.99 ∠174. 1°,
　　　　　　r_L = 6. 52 ,C_L = 1.234 + j7.29 = 7.3 ∠81°。

(2) 噪声。对于放大器的一个固定噪声系数F,N是一个常数:



式9是一个描述放大器的噪声参数N与其源端负载Γ_S关系的方程。可见对于噪声系数为固定值NF的放大器,在Smith圆图上,画出一个以Γ_S为变量的等噪声系数的轨迹。并且求出轨迹的圆半径及圆心:




从而,按照要求的噪声系数设计放大器的问题就演变为从该等噪声系数圆中确定一个合适的Γ_S值。1.6dB等噪声系数圆,计算得:圆心-0.07 + j0.1 ,半径0.62 。

(3) 增益。Z_in = Z_s^* ,即Γ_in =Γ_S^* 时,信号源输入放大器的功率最大。Z_L = Z_out^*时,负载得到最大功率。根据式7、8 计算。
输入端的计算结果: 圆心0.31 + j0.04 = 0.313 ∠7.4°,半径R_S = 0.56 。
输出端的计算结果: 圆心0.04 + j0.16 = 0.165 ∠76°,半径R_L = 0.53 。

综上所述,将稳定圆和等噪声系数圆和等增益圆表示在同一Smith圆图中,综合考虑,根据实际需要在噪声和增益之间选择一个折中点,本文选取点反射系数为- 0.0358 + j0.138。 在Microwave Office中分别建立如图1所示的输入匹配网络、输出匹配网络,综合放大器电路并对电路进行优化设计。将微带线的长度设为变量,添加3个优化目标:
(1) 稳定性条件K>1 ,b1>0 ; (2) 噪声系数NF<1.6dB(2.25GHz ～2.55GHz) ; (3) 增益G> 10dB(2.25GHz～2.55GHz) 。

优化后的结果:放大器工作在稳定区,且在2.4GHz 噪声系数NF=1.58dB,增益G=13.3dB。从仿真的结果看,经过优化放大器的性能明显提高,主要表现在噪声系数降低的同时增益并没有下降,如图2所示。从放大器的噪声系数曲线来看,2.4GHz 处噪声系数最小,其他频率上的噪声系数都略大。

图2 　优化后低噪声放大器的参数曲线

4 　结束语
低噪声放大器作为无线接入射频电路的前端,具有广泛的应用。在无线射频电路中低噪声放大器是必不可少的。本文设计的低噪声放大器指标为:在中心频率2.4GHz 处噪声系数NF=1.58dB、G=13.3dB。优化目标选择带宽是300MHz(2.25GHz -2.55GHz) ,能满足射频接入电路中小信号放大要求,可以用在无线接入射频电路前端和天线相连。但是,设计仍然存在需要改进的地方。如果在稳定范围内,适当增加带宽,改善增益平稳度,降低噪声系数,整个电路的性能会更好。