低噪声功率放大器匹配网络的噪声优化设计

王丽，沈一鸣

(1.淮南师范学院电子工程学院，安徽 淮南 232038；2.南京润众科技有限公司，江苏 南京 210000)

0 引言

当今，人们要求通信系统的功率辐射要尽量小，通信距离要足够远，通信覆盖面要广.为了满足人们的这些需求就要不断提高通信系统的接收灵敏度.当通信系统的带宽和信噪比确定后，噪声系数NF对系统的灵敏度起到了决定性的作用[1-2].低噪声放大器的设计在整个无线通信接收系统中是很重要的，它是提高接收灵敏度的关键手段之一[3].低噪放大器的主要作用是放大天线接收来的微弱信号，通过电路匹配网络的设计降低噪声系数，减小噪声干扰，确保系统能正确解调出所需的信息数据[4-5].因此，对低噪放大器的匹配网络设计与实现是本文中低噪声功率放大器MBC13720电路设计要解决的关键问题.本研究在ADS仿真软件中对MBC 13720器件的S参数建模仿真，并对电路进行了网络匹配，不断优化电路，最终仿真数据表明对MBC13720低噪声放大电路的优化设计有效、可行.

1 MBC13720器件的双端口网络模型与S参数

由于在射频波段终端短路或者断路时会有反射波，再采用电压和电流表示各种参量的方法不再适宜，甚至可能引起器件损坏的振荡[6].因此设法使电路输出功率保持不变，找到匹配的终端负载，根据参考面上归一化的入射波电压与归一化的反射波电压之间的关系导出散射参量和传输参量更方便应用[7].散射参量S 参数就是利用入射波和反射波来定义网络的输入、输出关系，可以避开不现实的终端条件以及器件损坏，因此S参数在射频电路设计中得到了广泛的应用[8].

在如图1所示的双端口网络模型中[9]，设an表示第n个端口的归一化入射波电压，bn表示第n个端口的归一化反射波电压，它们与同端口的电压Un的关系为：

其中Z0是连接在网络输入、输出端口的传输线特征阻抗.

图1 双端口网络模型S参数

假设网络是线性的，a与b有着线性的关系，则双端口网络为：

下面对MBC13720低噪声放大器的S参数进行仿真，通过不断优化电路的匹配网络，最终实现低噪声放大电路的噪声优化设计.

2 低噪声放大电路的优化设计与仿真

在供电电压Vcc=3.3 V，静态偏置电流Icc=5 mA的条件下，对MBC13720低噪声放大器的S参数进行仿真，主要研究在900 MHz的频段下各个S参数的值.图2是在ADS环境下建立的 MBC13 720双端口模型.分别在输入和输出端口连接50 Ω的等效电阻，仿真的频段范围设置为300 MHz到3 GHz，步长设置为100 MHz.

图2 未加匹配的双端口网络模型

对图2中的MBC13 720双端口模型进行S参数仿真，仿真出的噪声系数曲线如图 3所示.整个电路的噪声系数nf(2)与最小噪声系数NFmin在900 MHz处相差0.107 dB.且整个电路的噪声系数nf(2)与最小噪声系数NFmin的曲线没有重合的趋势，也就是说噪声系数nf(2)无法接近最小噪声系数NFmin.

图3 未加匹配的噪声系数

从图4可以看出在900 MHz频率下S参数的4个散射参数：S11=-5.15 dB，S12=-26.021 dB，S21=16.201 dB，S22=-2.907 dB.其中端口2的反射系数和端口2到端口1的反射传输系数均为负值，正向传输增益为16.201 dB，符合低噪声功率放大器的一般性能指标.

图4 未加匹配的S参数仿真曲线

对于低噪声放大器的优化设计，首要考虑的设计目标是尽量降低噪声系数，电路的噪声系数直接取决于其输入电路的匹配，输出电路的匹配只是影响电路的增益.图5是通过电感L1、L2和电容C1、C2对电路的输入端进行了网络匹配，其中C1起到了隔直的作用，L1起到了提高放大管稳定性的作用，通过电感L3和电容C3对电路的输出端进行了网络匹配，其中C3起到了隔直的作用，L3起到了扼流的作用，R1起到了提高放大管稳定性和限流的作用.电路经过优化设计后，反复仿真并不断调整各项参数，最终得到优化后的噪声系数如图6所示，S参数特性曲线如图7所示.

图5 优化的MBC13720低噪声放大器电路

通过对输入和输出电路进行匹配后，整个频带的噪声系数nf(2)如图6所示.与未匹配前的电路噪声系数曲线图3相比，图6所示的噪声系数曲线在900 MHz附近已经达到了优化，噪声系数nf(2)与最小噪声系数NFmin在900 MHz处相差0.073 dB，且噪声系数nf(2)在大于900 MHz的频带内呈现明显的下降趋势，在大于2 GHz的频带内约等于最小噪声系数NFmin.

图6 优化后的噪声系数

从图7可以看出在900 MHz频率下的4个散射参数：S11=-14.998 dB，S12=-24.584 dB，S21=17.637 dB，S22=-4.057 dB.与图4中未加匹配的S参数相比较，端口1的反射系数S11下降了约 9 dB，端口1的反射系数有了明显的改善.正向传输增益和端口 2的反射系数也有了较好的变化，正向传输增益S21提高了约1 dB，端口 2的反射系数S22下降了约 1 dB.

图7 优化后的S参数仿真曲线

3 结论

在仿真软件ADS中建立MBC13720低噪声放大器的双端口网络模型，设计输入和输出匹配电路，对电路进行S参数仿真，并不断优化电路，最终得到在900 MHz频率下的S参数分别为:S11=-14.998 dB，S12=-24.584 dB，S21=17.637 dB，S22=-4.057 dB.从S参数可以看出反射系数、正向传输增益还是反向传输系数都能满足射频前端电路的特性要求，且整个频带的噪声系数nf(2)在900 MHz附近已经达到了优化，并在大于900 MHz的频带内呈下降趋势，下降到约等于最小噪声系数NFmin.