一种新的ISM频段低噪声放大器设计方法

黄玉兰

(西安邮电学院电子与信息工程系，陕西西安710121)

随着无线通信技术的不断发展，ISM频段射频前端技术已经成为通信和电子领域的关键技术，引起了广泛关注[1-3]。ISM频段即工业、科学和医疗频段，应用这些频段无需许可证，无线局域网、射频识别和蓝牙等无线通信均可工作在2.4 GHz的ISM频段。在射频接收系统中，由于射频电路的波动性，放大器在考虑增益和噪声系数的同时，还需要考虑稳定性和驻波比[4-6]，因此需要有提高射频低噪声放大器综合性能的设计方法。

本文提出了一种2.4 GHz ISM频段低噪声放大器的设计方法。针对低噪声放大器中相冲突的输入输出驻波比、增益和噪声系数等几个指标，本文分析了单项参数的变化规律，提出了提高低噪声放大器综合性能的方法，给出了放大器封装模型的电路结构，并给出了仿真曲线和仿真结果分析，为改善低噪声放大器的性能提出了一种新的途径。

1 低噪声放大器的主要参数

1.1 稳定性

在放大器的二端口网络中，如果反射系数的模大于1，射频放大器将有产生振荡的倾向，不再发挥放大器的作用。稳定性是指放大器抑制环境变化、维持正常工作特性的能力，可以用图解法或解析法判定放大器的稳定性。图解法是圆图解法，解析法是计算稳定性因子。

1.2 增益

放大器的转换功率增益为：

转换功率增益既与晶体管的增益有关，也与输入输出匹配网络的有效增益有关。如果没有匹配网络，晶体管既不能从源极获得最大输入功率，也不能输出给负载最大功率[7-8]。

1.3 噪声系数

噪声系数由放大器输入端额定信噪比与输出端额定信噪比的比值来确定，在低噪声的前提下对信号进行放大是对放大器的基本要求。

1.4 失配

输入和输出电压驻波比可以用信源与晶体管之间及晶体管与负载之间的失配程度来描述，放大器源失配因子和负载失配因子分别为：

2 低噪声放大器的设计方法

在分析了低噪声放大器的特性，找出了放大器单项参数的变化规律后，提出了提高放大器综合性能的设计方法。

2.1 放大器的设计过程

放大器的设计分为SP模型设计和封装模型设计。

(1)SP模型设计通常作为射频放大器设计的初级阶段，在对封装模型设计前，通常先对SP模型进行设计，通过预先进行SP模型设计仿真，可以获得电路的大概指标。

(2)对封装模型的设计是指对pb模型的设计，设计放大器时，对SP模型仿真后，还需要对pb封装模型进行仿真，对封装模型的设计仿真需要考虑偏置网络，对封装模型的仿真结果与对SP模型的仿真结果有微小差异，需要对电路做新的优化。

2.2 放大器单项参数的变化规律

噪声系数仅与输入匹配网络有关。噪声系数为：

当源的反射系数ΓS=Γopt时，F=Fmin，噪声系数最小。

失配与输入和输出匹配网络均有关。如果MS=1，则输入驻波比为1；如果ML=1，则输出驻波比为1，否则晶体管的输入功率小于信源资用功率，负载吸收的功率小于晶体管资用功率。

2.3 设计放大器的方法

(1)计算并判定晶体管的稳定性。绝对稳定要求：

(2)输入匹配网络的等增益曲线方程为：

由输入等增益曲线可以得到增益的变化规律。输出等增益曲线与输入等增益曲线对偶。

(3)等噪声曲线的方程为：

在等噪声系数曲线内选源反射系数，并注意选点落在等增益曲线上。

(4)计算失配因子。

(5)若不满足指标要求，重复步骤(1)～(4)以满足指标要求。

(6)确定SP模型的电路结构，对SP模型仿真。

(7)添加偏置网络，确定封装模型的电路结构，对封装模型仿真。

3 电路仿真结果

3.1 晶体管参数

晶体管采用hp_AT-41511，该晶体管仿真曲线的频率范围为100 MHz～5.1 GHz。在2.4 GHz时，晶体管的S11=0.470∠148°，表明输入端匹配很差；dB(S12)=-18.636，表明单向性较好；dB(S21)=7.373，这是晶体管的增益，放大器的增益还需计入输入和输出匹配网络的等效增益；S22=0.420∠-51°，表明输出端匹配较差。在2.4 GHz时晶体管的噪声系数为2.145。

晶体管hp_AT-41511的输入阻抗如表1所示，由表1可以看出，该晶体管失配严重，需要添加匹配网络。

3.2 放大电路

采用单支节匹配网络，微带线基板的厚度为0.8 mm，基板的相对介电常数为4.3，基板的相对磁导率为1，基板的损耗角正切为0.001，微带线导体层的厚度为0.03 mm，导体的电导率为5.88E+7，微带线表面粗糙度为0 mm。同时添加输入和输出匹配网络，并添加偏置网络，封装模型的放大电路如图1所示。

表1 晶体管的输入阻抗

3.3 仿真结果

放大器的中心频率选为2.43 GHz，带宽选为6 MHz，系统的特性阻抗选为50 Ω。对放大器的参数进行仿真，本文给出了3组仿真曲线。放大器第一种状态输入和输出端匹配状态最好，第三种状态输入和输出端匹配状态最差。

放大器增益曲线如图2，标记m7所在的增益曲线对应第一种状态，标记m8所在的增益曲线对应第二种状态，标记m9所在的增益曲线对应第三种状态。可以看出，放大器第一种状态增益最大，第三种状态增益最小，也即输入和输出端驻波比状态越好，增益越大。

放大器噪声系数曲线如图3，标记m10所在的噪声系数曲线对应第一种状态，标记m11所在的噪声系数曲线对应第二种状态，标记m12所在的噪声系数曲线对应第三种状态。可以看出，噪声系数受失配的影响，驻波比越小噪声系数越大。

图1 封装模型的放大电路

本文提出了一种ISM频段低噪声放大器的设计方法。分析了射频前端低噪声放大器的特性，给出了增益、驻波比和噪声系数单项参数的变化规律，提出了提高放大器综合性能的设计方法。对射频放大器SP模型和封装模型进行了仿真。仿真结果表明驻波比越小增益越大，在失配受限时减小增益会降低噪声系数。本文提出的ISM频段低噪声放大器设计方法为改善低噪声放大器的性能提出了一种新的途径。

[1]GREEN D.B，OBAIDAT A.S.An accurate line of sight propagation model for Ad-hoc 802.11 wireless LAN devices[J].IEEE International Conference on Communications，2002(5)：3424-3428.

[2]YOON S.W.Static and dynamic error vector magnitude behavior of 2.4 GHz power amplifier[J].Microwave Theory and Techniques，IEEE Transactions，2007，55(4)：643-647.

[3]唐海啸，张玉兴.利用ADS软件设计X频段低噪声放大器[J].电讯技术，2006(1)：119-122.

[4]孟林，杨勇.射频低噪声放大器的ADS设计[J].电子质量，2007(3)：42-48.

[5]黄玉兰.射频电路理论与设计[M].北京：人民邮电出版社，2008.

[6]黄玉兰.ADS射频电路设计基础与典型应用[M].北京：人民邮电出版社，2009.

[7]吕永生，王家礼，王云飞.一种用于射频功率放大器自适应控制的RLS算法[J].西安电子科技大学学报，2004，31(6)：939-942.

[8]何松柏，游飞.动态偏置射频功率放大器研究[J].电子科技大学学报，2009，38(2)：190-194.