基于GPS接收机低噪声放大器设计策略

基于GPS接收机低噪声放大器设计策略

   低噪声放大器(Low Noise Amplifier，LNA)广泛应用于射电天文、卫星接收、雷达通信等收信机灵敏度要求较高的领域，主要作用是放大所接收的微弱信号、降低噪声、使系统解调出所需的信息数据。而噪声系数(Noise Figure，NF)作为其一项重要的技术指标直接反映整个系统的灵敏度，所以LNA设计对整个系统的性能至关重要。

1 GPS接收机低噪声放大器的设计
    设计的LNA主要指标为：工作频率为1 520～1 600 MHz；噪声系数NF16．0 dB；输入驻波比<2；输出驻波比<1．5。
1．1 器件选择
    选择合适的器件，考虑到噪声系数较低、增益较高，所以选择PHEMT GaAsFET低噪声晶体管。在设计低噪声放大器前，首先要建立晶体管的小信号模型，一般公司都会提供具有现成模型的放大器件。这里选择Agilent公司的生产的ATF-54143。1．52～1．60 GHz频带内，设计反τ型匹配网络，该匹配网络由集总元件电感、电容构成。选择电感时，要选择高Q电感。为了在模拟仿真中能够与实际情况相符合，选用Murata公司的电感和电容模型。这里选用贴片电感型号为LQWl8，贴片电容型号为GRMl8，电感LQWl8在1．6 GHz典型Q值为80。
1．2 直流偏置
    在设计低噪声放大器中，设计直流偏置的目标是选择合适的静态工作点，静态点的好坏直接影响电路的噪声、增益和线性度。由电阻组成的简单偏置网络可以为ATF-54143提供合适的静态工作点，但温度性较差。可用有源偏置网络弥补温度性差的缺点，但有源偏置网络会使电路尺寸增加，加大了电路板排版的难度以及增加了功率消耗。在设计实际电路中，要根据具体情况选择有源偏置网络，或是电阻偏置网络。就文中的LNA而言，考虑到结构和成本，这里选择电阻无源偏置网络。采用Agilenl的ATF54143，根据该公司给出的datasheet指标，设计Vds=3．8 V、Ids=ll mA偏置工作点。因为在电流为llmA时ATF-54143性能较好。电阻R3为100 Ω；R2为680 Ω；R1为60 Ω，如图1所示。

1．3 稳定性设计
    放大器的稳定性是放大器中需要考虑的重要因素。需要在工作频率下绝对稳定，有两种方法可以判断该器件是无条件稳定。第一种方法
   
第二种方法：用s参量组合成的检测标准，只有单一参量μ，其定义为
   
    要使电路稳定通常有两种方法：第一种，在场效应管漏极端加阻性负载，能够在很宽的频段内使器件产生等阻抗，从而获得宽带稳定性。其缺点是阻性终端要消耗一些能量，降低输出功率；第二种，在源极与地之间加电感，可引起串联负反馈，使器件增益下降，但稳定性提高了。在微波电路中，源极负反馈可以是电感集总元件，也可以是一段短传输线，本设计采用前者。
    仿真结果如图2，图3所示，可以看出在l 520～l 600 MHz的范围内输入输出及整体稳定性都>1，因此电路在带内稳定。

1．4 输入输出阻抗匹配电路设计
    在设计LNA时，输入匹配不能采用共轭匹配方法，而是采用最佳源反射系数噪声匹配。输入阻抗匹配网络电路由C4和L5组成，如图3所示，网络可以有效降低回波损耗，并提高增益和频带内的稳定性。L1起到通直流和扼交流的作用，C1起到射频旁路的作用。电感L1和L5的Q值对输入端降低电路损耗和减小NF(2)有重要作用。低电感Q值会增大输人噪声，从而影响整个电路的总噪声。
    而输出匹配采用共轭匹配设计。输出阻抗匹配网络由C6和L7组成，如图4所示，降低回波损耗，提高增益。C2起着射频旁路作用，C5起着电源去耦作用。
    用Smith软件简单求得匹配网络集总元件的值后，再用ADS软件进行优化。优化时，要注意几点：首先通过调谐功能手动调整各个器件参数，知道哪些器件参数对电路指标影响较大，对于敏感的器件参数要小心处理；其次设定优化目标；最后，优化时，要避免自激振荡。
1．5 LNA电路的整体优化
    对直流偏置设计、稳定性设计和匹配网络设计后，LNA结构基本固定，但为了达到各项指标要求，还需要优化各个器件的值，而且要考虑实际电路微带线、短路接地、过孔的影响，所以还需对电路进行整体仿真优化。
    通常在射频电路中，使用的是微带线传输信号，需要注意微带线的宽度，宽度的大小决定特性阻抗。对于输入输出端口通常采用50 Ω特性阻抗。在本次设计中，选用板材是相对常数为2．65，厚度为1 mm的PTFE。利用Agilent公司的Appcad软件，可以计算出微带线的宽度为2．57 mm。
    对LNA电路优化时，优化指标的设置要合理。优化指标过程中，要充分利用调谐功能，先知道参数的大概数值，然后在此基础上对各项参数优化，直到达到理想效果。最终仿真结果如图5所示。

1．6 测试结果
    图6为实际低噪声放大器实验板，并用矢量网络分析仪和噪声仪测试，测试结果显示：Gain>16．0 dB；NF(2)<0．5 dB；输人驻波比<2；输出驻波比<1．5。实验结果与仿真结果基本吻合。

2 结束语
    文中选用Agilent公司E-PHEMT噪声系数较低的ATF-54143，设计了低噪声放大器。介绍了偏置电路设计，稳定性设计及输入输出网络匹配电路设计的方法。实测结果表明，文中设计的低噪声放大器符合指标要求，适用于GPS频段的通信。