基于新型双频匹配电路的双频低噪声放大器设计

余云忠+周可籍+何建成+刘永飘+江鹏

【摘 要】为提高现代无线通信系统的频谱利用率，降低系统成本，对双频低噪声放大器进行了深入研究，提出一种利用新型双频匹配结构来设计双频低噪声放大器的方法。这种双频匹配结构由实阻抗双频变换器和双枝节线结构双频匹配电路组成，双枝节线结构双频匹配电路能够实现双频点复阻抗到实阻抗的匹配，实阻抗双频变换器能够实现两个频段上的实阻抗匹配。仿真结果表明这种方法设计的双频低噪声放大器电路结构简单、成本低廉、性能优良且易于加工，两个中心频率可任意选择，具有较高的实用价值。

【关键词】双频 低噪声 匹配 传输线 阻抗变换

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2016.20.017 中图分类号：TN722.3 文献标志码：A 文章编号：1006-1010（2016）20-0088-04

1 引言

低噪声放大器作为无线通信系统中的重要模块之一，在现代无线通信系统中的射频前端扮演着重要的角色，其性能的好坏将直接影响到通信系统的指标参数。特别是小型化、低成本、高性能的双频低噪声放大器的设计越来越受到学术界和工业界的重视。

目前双频低噪声放大器的设计方法大概可以分为三种：第一种方法是采用两个频段独立信号通路并联结构，文献[1]设计了一种工作在2.4 GHz和5.6 GHz的并联双通道低噪声放大器，输入端通过开关选择通道，两个通道可以独立工作，电路匹配可以单独设计，互不影响，电路性能较好，但增加了功耗和成本。第二种方法是开关切换电路谐振网络，文献[2]利用三个NMOS开关来控制输入和输出匹配，保证在两个频段上正常工作。这种方法共用谐振网络，使用开关切换，控制方法灵活，改变频点方式简单，同时也降低了成本，但是引入MOS管开关的寄生参数会降低谐振回路的品质因素，使电路性能下降。第三种方法是采用多频点输入输出匹配结构，文献[3]采用多频点匹配结构设计实现了2.4 GHz、3.5 GHz、5.2 GHz的三频段低噪声放大器。文献[4]利用一种高阶谐振网络设计了双频输入输出匹配结构放大器。第三种方法设计的放大器具有功耗低、成本低廉、电路性能优良等特点，不过设计过程会相对复杂。

本文主要采用一种新型的双频点输入输出匹配结构，设计了一种双频低噪声放大器。该双频点匹配结构是利用传输线变换原理将放大器的输入/输出阻抗分别在两个频段上变换为导纳的实部相等，然后采用并联分支线结构将两个频段的导纳的虚部匹配为零，最后再通过双频实阻抗匹配实现两个频段上的匹配。

2 基于微带线的双频段实阻抗变换设计

文献[5]提出了一种由两段微带线组成的双频阻抗变换器，其结构如图1所示。第一段微带线特性阻抗为Z1，长度为l1，第二段微带线特性阻抗为Z2，长度为l2，Zin1为从第二段微带线输入端到负载的输入阻抗，Zin为从第一段微带线输入端到负载的输入阻抗。

这种设计方法简单易行，版图设计也很简单，但是只有在负载为纯电阻时才能达到完美的匹配效果，因此不能直接用于低噪声放大器的匹配电路。通过双枝节匹配电路将低噪声放大器的输入输出阻抗匹配到实阻抗，再通过双频阻抗变换器进行匹配。

3 双枝节线的双频匹配电路

由于双枝节线结构能够实现双频点复阻抗到实阻抗的匹配，因此双枝节线匹配可以结合双频实阻抗变换器来实现低噪声放大器的双频匹配。其结构如图2所示：

负载Zx经过微带线Za后，其阻抗会发生变化，假设变化后两个频点f1和f2处的导纳分别为：

4 双频低噪声放大器设计

基于以上原理分析，最终将实现双频复阻抗当实阻抗变换的双枝节线结构和双频实阻抗变换器级联起来使用，如图3所示：

晶体管选择英飞凌公司的BFP740，偏置点选择Vce=3 V，Ic=6 mA，此时噪声系数最小。输入匹配用最小噪声系数匹配，输出匹配用最大输出功率匹配，输入输出阻抗如表1所示：

通过以上分析，在ADS中对双频低噪声放大器电路进行建模和仿真，所采用的介质基板为Rogers 4003，其介电常数为3.55，厚度为0.508 mm。

经过优化调试，得到双频低噪声放大器的S参数仿真结果，增益仿真结果如图4（a）所示，在2.3 GHz和3.5 GHz频点处增益分别为16.5 dB和13.2 dB，回波损耗和反向隔离度仿真结果如图4（b）所示。

噪声系数仿真结果如图5所示，在频点2.3 GHz和3.5 GHz处的噪声系数分别为0.57和0.73，几乎等于晶体管的最小噪声系数，可以看出晶体管在这两个频点处满足最小噪声系数匹配。

增益与输入功率的关系仿真结果如图6所示，图6（a）为输入信号频率为2.3 GHz时，输出功率与输入功率的关系曲线图，信号的线性增益为16.5 dB，当输入信号功率为-11 dBm时，输出功率达到1 dB压缩点。图6（b）为输入信号频率为3.5 GHz时，输出功率与输入功率的关系曲线图，信号的线性增益为13.2 dB，当输入信号功率为-7 dBm时，输出功率达到1 dB压缩点。

5 结论

本文通过结合传输线原理，分析了实阻抗双频变换器和双枝节线结构双频匹配电路的工作原理和设计方法。在此基础上提出将实阻抗变换器和双枝节线结构双频匹配电路级联来实现任意阻抗的双频点匹配，并将此双频匹配结构应用于低噪声放大器电路的设计，设计出工作在2.3 GHz和3.5 GHz的双频低噪声放大器。该低噪声放大器在2.3 GHz频点处的增益为16.5 dB，S11小于-14 dB，S22小于-12 dB，噪声系数为0.57，P1dB点对应的输出功率为4.5 dBm。在3.5 GHz频点处增益为13.2 dB，S11小于-17 dB，S22小于-10 dB，噪声系数为0.73，P1dB点对应的输出功率为5.3 dBm。用这种方法设计的双频低噪声放大器结构简单、成本低廉、性能优良且易于加工，两个中心频率可任意选择，设计方式灵活，因此该双频低噪声放大器能够满足多频段多协议接收机的需求，具有较高的实用价值。

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