基于GSM的宽带LNA电路设计

      摘要：通过选用噪声系数小、性能优良、价格便宜的AT41486晶体管，使用安捷伦公司的ADS软件，设计了一个适于基站GSM的多制式宽带低噪声放大器(LNA)。该放大器工作频率范围为1700MHz～2000MHz，噪声系数不大于1．8dB，增益不小于13dB，频带内增益平坦度不大于0．5-dB，输入电压驻波比小于2．0，输出电压驻波比小于3．3。电路具有噪声系数小，增益大，频带内增益平坦度小，性能优良等特点。

      0 引言

      低噪声放大器(LNA)是无线通信设备中的关键电路，位于接收设备的最前端，对从天线接收的微弱射频信号进行放大，其噪声性能和增益对整机性能有重要影响，因此，要求该电路在小于要求噪声指标的情况下，具有尽可能高的增益。一般情况下，最小噪声系数和最大增益是不能同时达到的，它们的指标主要由输入匹配电路决定。为了达到设计要求，一般都采取兼顾的原则。

      在国内GSM系统中，工作频率覆盖了l710MHz～1990MHz的范围，如果使用窄带LNA电路，只能用于一种体制，应用受到一定限制。本文设计的宽带LNA电路，其工作频率覆盖了上述频率范围，使接收机前端的LNA电路具有很大灵活性。

      1 低噪声放大电路的设计仿真及优化

      1．1 性能指标和器件选择

      设计要求工作频率为1700MHz～2000MHz，噪声系数小于1．8dB，增益大于13dB，输入电压驻波比小于2．0，输出电压驻波比小于3．5。

      设计选用AGILENT公司的AT41486管。该器件为通用NPN双极型硅管，具有低噪声、高增益、频率特性好等优良特性。模型选用ADS自带的pb参数模型。

      1．2 电路稳定性

      电路稳定性既是放大电路的一个重要指标，又是电路正常工作的先决条件。电路稳定工作是最基本的要求，而任何射频电路在某些频段和某些终端条件下都有产生振荡的可能性。造成电路不稳定的因素很多，主要有管子的S参数、输入输出匹配电路以及选取的工作点等。稳定性度量通常用稳定因子K、B、△表示，他们是器件小信号S参数的函数。在使用ADS工具时，计算K和B两个参数非常方便，因此，这里用它们来衡量电路的稳定性。计算公式如下：

      只要K>l，|B|>0，电路就能稳定工作

      通过ADS对晶体管AT41486的稳定因子进行仿真，结果如表1所示。

      由表1可见，在1600MHz到2100MHz范围内，都满足K>1和B>0的要求，说明晶体管在所工作的频段是绝对稳定的，不需要采取稳定措施。

      1．3 噪声系数

      射频系统的噪声系数与每一级电路的噪声系数F和除末级外的功率增益G有关。如果射频系统包括N级电路，其中第i级的功率增益为Gi，噪声系数为Fi，则射频系统的噪声系数F可表示为：

      由式(5)可见，第一级的噪声系数F1和增益G1对电路的整体噪声指标影响最大，而LNA恰为系统第一级，因此，它的设计非常重要，要求具有足够小的噪声系数，尽量高的增益。对于单级LNA电路来说，其噪声系数可通过下面的式(6)计算，

      其中，分别表示晶体管的最小噪声系数、获得最小噪声系数时的最佳源反射系数和晶体管的等效噪声电阻，它们均由管子本身的特性决定，其数值如表2所示。为输入端源反射系数。由式(6)可以看出，当时，放大电路的噪声系数F最小，等于Fmin。

      由于要兼顾放大电路的增益Ggain，因此，在满足噪声系数F要求的情况下，实际匹配可以适当偏离，以取得更大的增益，满足整体性能指标。由表2可以看出，只要设计合理，在1700MHz～2000MHz范围内完全可以实现小于1．8dB的噪声系数。设计时，输入匹配初始选，然后再根据其他指标进行优化。[page]

      1．4 LNA结构分析与设计

      电路结构如图1所示，设计重点是输入输出匹配电路。考虑到工作频率范围宽，因此，输入匹配采用微带双枝短截线，输出为微带单枝短截线。直流偏置根据管子的资料，采用10V电源，工作点设置为Vce=8．0V，Ic=10mA。

      1．4．1 输入匹配电路

      通过仿真得到最佳源反射系数时的最佳输入阻抗为11-j*14．2。为了得到最小噪声系数，令，按照该阻抗设计输入匹配电路，噪声系数最小，但此时输入端是失配的，因此，增益不是最大，电压驻波比也不是最小。

      设计选用聚四氟乙烯材料，εr=2．65，H=0．8mm，T=35μm。为了实现宽带放大，输入端采用微带双枝短截线。利用计算工具可得到符合要求的输入匹配电路如图2所示。

      1．4．2 输出匹配电路

      使用同样的方法可以得到输出阻抗为78．05-j*42．65。输出使用微带单枝短截线，以实现共轭匹配。仿真得到的单枝短截线为W1=W2=-W3=2．188mm，L4=29．33mm，L5=15．62mm。

      1．5 仿真结果及分析

      图3为完整电路原理图。通过ADS对其反复优化，其结果如图4、5和表3、4所示。

      (1)从图4可以看出，电路在1700MHz～2000MHz频率范围内增益大于13dB，其中最大增益点在1800MHz位置，为13．5dB，增益波动为0．5-dB，符合性能指标要求。

      (2)根据图5的噪声系数曲线，在工作频段内，最大噪声系数在2000MHz处，为1．799dB，小于1．8dB的目标。

      (3)由表3可见，输入电压反射系数VSWRl小于2．0，输出电压反射系数VSWR2在1750MHz以下超过2．5，不大于3．0，符合设计要求。

      (4)表4显示，在要求频段内满足K>1和B>0的要求，说明电路是绝对稳定的。

      综上所述，此电路达到了设计要求。

      2 结束语

      从以上结果可以看出，利用ADS软件，采用pb模型设计的低噪声宽带放大电路，达到了设计要求，可用于GSM基站前端，比以往的LNA具有更宽的工作带宽，增益和噪声系数不低于其他产品，具有重要的实际意义和应用前景。由于射频电路设计的复杂性和要求的精确性，电路性能指标的实现受多种因素制约，需要反复调整和优化。