熬 Ｐ ＴＡＲ ＡＴＳ＆ＰＳ＆ ＰＰ器ＬＩ件ＣＡ与ＴＴ应Ｉ０Ｎ用Ｓ 霾ｇ鼹－ ■ 【本文献信息】王振朝，种少飞，韦子辉，等．射频低噪声放大器设计与仿真［Ｊ］．电视技术，２０１４，３８（５） 射频低噪声放大器设计与仿真 王振朝 ，种少飞 ，韦子辉 ，田晓燕 ，陈雷 （１．河北大学电子信息工程学院，河北保定０７１００２；２．保定天河电子技术有限公司博士后工作站，河北保定０７１００２） 【摘要】为了提高接收机接收灵敏度及通信距离，设计了一种４３３ ＭＨｚ频段两级低噪声放大器。使用了一种在集电极串联感 性反馈，使放大管处于绝对稳定状态的方法，采用等噪声圆及等功率圆进行了低噪声放大器的仿真设计，分析了放大管的稳定 性、噪声系数、增益等参数。仿真及测试结果表明低噪声放大器在４３３ ＭＨｚ频段，噪声系数＜０．６ ｄＢ，输入输出驻波比＜１．５，增 益＞２６ ｄＢ，将设计的低噪声放大器应用在４３３ ＭＨｚ通信模块中，通信距离有显著提高。 【关键词】低噪声放大器；ＡＤＳ；计算机仿真 【中图分类号】ＴＮ７２２．３ 【文献标志码】Ａ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ Ｌｏｗ Ｎｏｉｓｅ Ａｍｐｌｉｉｆｅｒ ＷＡＮＧ Ｚｈｅｎｃｈａｏ ，ＣＨＯＮＧ Ｓｈａｏｆｅｉ ，ＷＥＩ Ｚｉｈｕｉ ，ＴＩＡＮ Ｘｉａｏｙａｎ ，ＣＨＥＮ Ｌｅｉ （ ．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｂｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈｅｂｅｉ Ｂａｏｄｉｎｇ ０７１００２，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｐｏｓｔｄｏｃｔｏｒａｌ Ｗｏｒｋｓｔａｔｉｏｎ ｏｆＢａｏ Ｄｉｎｇ Ｇａｌａｘｙ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．，Ｉｚｄ．，Ｈｅｂｅｉ Ｂａｏｄｉｎｇ ０７１００２，Ｃｈｉｎａ） 【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ａ ２－ｓｔａｇｅ ａｎｄ ４３３一ｂａｎｄ ｌｏｗ ｎｏｉｓｅ ａｍｐｌｉｉｆｅｒ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｆｏｒ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ａｎｄ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｃｅｉｖｅｒ． Ａ ｍｅｔｈｏｄ ｔｈａｔ ｓｅｒｉｅｓ ｔｈｅ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ ａｔ ｔｈｅ ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ ｉｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ａｍｐｌｉｉｅｒ ｔｆｕｂｅ ｉｎ ｔｈｅ ｓｔａｂｌｅ ｓｔａｔｅ ａｂｓｏｌｕｔｅｌｙ．Ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｎｏｉｓｅ ｆｉｇｕｒｅ ｃｉｒｃｌｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｇａｉｎ ｃｉｒｃｌｅｓ，ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｌｏｗ ｎｏｉｓｅ ａｍｐｌｉｉｅｒ ｉｆｓ ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ｎｏｉｓｅ ｆｉｇｕｒｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄ ｐｏｗｅｒ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｌｏｗ ｎｏｉｓｅ ａｍｐｌｉｉｆｅｒ ａｃｈｉｅｖｅｓ ａ ｐｏｗｅｒ ｇａｉｎ ｏｆ ２６ ｄＢ，ｔｈｅ ｎｏｉｓｅ ｉｇｕｒｅｓ＜０．６ ｄＢ，ｉｆｎｐｕｔ ａｎｄ ｏｕｔｐｕｔ ＶＳＷＲ＜１．５．Ｔｈｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｉｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｌｏｗ ｎｏｉｓｅ ａｍｐｌｉｉｅｒ ｉｓｆ ｕｓｅｄ ｉｎ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅ． 【Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ】ＬＮＡ；ＡＤＳ；ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ 低噪声放大器（Ｌｏｗ Ｎｏｉｓｅ Ａｍｐｌｉｉｆｅｒ，ＬＮＡ）是射频接 的问题。放大器由于内部Ｓ。 产生的反馈，可能使ＬＮＡ工 收设备中的关键部件，主要用于放大接收信号从而提高接 作在不稳定状态下，这会发生自激导致ＬＮＡ不能正常工 收机灵敏度及通信距离。ＬＮＡ设计的难点在于需要考虑 作 Ｊ。因此，首先要判断ＬＮＡ是否绝对稳定，判断ＬＮＡ 噪声系数、增益及稳定性等参数，处于绝对稳定状态且具 绝对稳定的条件为 有低噪声系数和较高增益的ＬＮＡ是提高接收机接收灵敏 度及通信距离的关键手段 Ｊ。 本文以４３３ ＭＨｚ频段为例并结合ＡＤＳ（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｄｅ－ ｓｉｇｎ Ｓｙｓｔｅｍ）软件详细介绍了两级低噪声放大器完整的设 ㈩ 【ｌ△ｌ＝ｌ ｓ。 Ｊｓ 一ｓ ｓ 。Ｉ＜１ 或 ＞ ㈤ 计方法，完成了低噪声放大器的设计及仿真，并在 ４３３ ＭＨｚ频段对低噪声放大器进行了实际测试。结果表 【Ｂ＝１＋ｆ ５ ｆ 一ｆ Ｓ２２ ｆ。一ｆ△ｆ ＞０ 式中：Ｋ，Ｂ为稳定因数；Ｓ 为输入端反射系数；Ｓ笼为输 出端反射系数；Ｓ 为输入端匹配时输出端到输入端传输 系数；Ｓ 为输出端匹配时输入端到输出端传输系数。 若根据放大管数据手册中的 参数并结合式（１）或 式（２）计算来判断稳定性，则过程复杂。在ＡＤＳ中利用稳 定性判定系数Ｓｔａｂ＿ｆａｃｅ（ｓ）或Ｓｔａｂ＿ｍｅａｓ（ｓ）可以直接对 明，在ＡＤＦ７０２１射频收发芯片接收端加人设计的ＬＮＡ后， 提高了接收灵敏度，通信距离得到显著提高。 １ 低噪声放大器的设计理论 放大器的性能指标主要是增益、稳定性、噪声系数、 输入输出驻波比等，其中噪声系数及稳定性对接收系统影 响较大。 １．１稳定性分析 放大管进行稳定性分析，当Ｓｔａｂ＿ｆａｃｅ（ｓ）＞１或 Ｓｔａｂｍｅａｓ（ｓ）＞０时放大管处于绝对稳定状态＿４ Ｊ。当放 ＿在工作频段内的稳定性是在设计ＬＮＡ时首先要考虑 基金项目：河北省高等学校科学技术研究项目（Ｚ２０１２１２６；Ｚ２０１１２５２） 投稿网：吐ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ＶｉｄｅｏＥ．ｃｎＩ《电视技术》第３８卷第５期（总第４３２期）８１ Ｐ ＲＡ ＳＲＴ＆Ｔ＆Ｐ Ａ ＰＰ器ＬＩＣ件 ＯＡ与ＴＩ应ＯＮ用Ｓ ｌ＿＿ ■ 根据等噪声系数圆和等增益圆仿真第一级放大管，得 到等噪声系数圆和等增益圆，如图４所示。点 获得最 小噪声系数０．５２０ ７８ ｄＢ，增益大约为１６．８１９ ｄＢ，由于第 ： 一 一ｍ６ ｆｒｅｑ＝ ４３３ （ ｌＩＭＨ 啪ｌ ｍ１）胡 ７４８Ｉ ｌ（三 ｒ 级放大电路主要考虑噪声系数，得到最小噪声系数下的 ／ —、 ／ ／～ ／ ／ … ；＼ 输入端阻抗为５０ Ｘ（０．４７９＋ｊ０．４８４）。使用ＤＡ—Ｓｉｍｔｈ— ＣｈａｒＭａｔｃｈ进行匹配网络设计，５０曰通过匹配网络匹配到 Ｅ ４ ０ ４ ０ ５ ０６ ｅ７ ０８ ０９ １ ０ ｍ４的共轭点，仿真结果如图５所示，其中点ｍ４达到匹配 点，完成了最佳噪声匹配。 ０１ ｅ２ Ｏ３ ｆｆｅｑ ＧＨｚ 图６输出端匹配仿真（截图） ，第二级的匹配过程不再赘述，需要注意的是：第二级 放大管主要考虑的是增益问题，故输入端匹配网络采用最 大功率传输匹配，即共轭匹配。第二级放大电路的仿真结 果如图７所示，第二级放大管在工作频段增益曲线￥２１为 １９．３５３ ｄＢ，且具有良好的增益平坦性能，回波损耗曲线 ￥２２为一３７．９３８ ｄＢ，噪声系数为１．００８ ｄＢ。 ｃｔｒｐｔｓ（ｏ．ｏｏｏｔｏ５１ ｏａｏ） ＿２．３电路优化与仿真 图４等噪声系数圆和等增益圆（截图） 在ＡＤＳ原理图中把两级放大电路级联，仿真得到低 噪声放大器的Ｓ参数。在实际制作中，使用的器件不可能 是理想的仿真值，故电路中的匹配网络需要根据ｓ参数进 行优化，使低噪声放大器性能符合设计要求。优化后完整 的ＬＮＡ电路图如图８所示，其中Ｃ１、ｃ２、（）６、ｃ７为放大管 的隔直电容，仿真结果如图９所示。图９中ｍ１点所在的 曲线为噪声系数曲线，在４３３ ＭＨｚ时低噪声放大器的噪 声系数为０．５７２ ｄＢ，ｍ２点所在的曲线为稳定系数曲线， 在４３３ ＭＨｚ时的稳定系数为１．３８６，设计的低噪声放大器 处于绝对稳定状态下。ｍ３点表示低噪声放大器的增益曲 线￥２１在４３３ ＭＨｚ时为３４．８３５ ｄＢ，ｍ４和 所在曲线分 图５最佳噪声匹配仿真（截图） 输出驻波比，在４３３ ＭＨｚ时 根据输出阻抗控件，得到一级放大管在４３３ ＭＨｚ时 别表示低噪声放大器的输人、９２ ｄＢ。点ｍ６、ｍ７基本到达匹配点， 的输出阻抗为９２．９７４一ｊ６．９１。输出端的匹配网络采用最 分别为１．１４ ｄＢ、１．１输出匹配良好。 大功率传输匹配，加入匹配网络后仿真结果如图６所示。 低噪声放大器的输入、输出端的输出阻抗为４９．７４８＋ｊ ｏ．０３２，已经接近５０ Ｑ。 ２Ｏ １０一 ｝ ｉ ｆ； ； ｉ ；； ｍＺ ｆ ８ ｆ。 ｝ ｆ ／／ Ｏ— ．栅ｅＢｔ（ｌＩｓ ．（２，１）Ｏ １Ｍｌ ９ｚ一．３５ ＂ ｆ 搿 百封二量二 、 、１０一 ２Ｄ一 ３０一 ｉ ； Ｉ『ｎ６ ，…／彳 Ｉ ／ ∞ ，鲁 一 、 ～ ； ｔ 一－／ｒ ／ ｌ｝ ｉ ； ； ………～ 帕难） ００８…卜十＿／ ／ ｊｆ｝ ＝４多３．ＯＭｌ—ｚＪ ；Ｉ ｛ 蚰一 ～ 。一一… …０一 ｆ ｌ一一一 图７ ＢＦＲ５２０仿真结果（截图） 投稿网址ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ＶｉｄｅｏＥ．ｃｎ Ｊ《电视技术》第３８卷第５期（总第４３２期）８３ ｌｉ Ｐ ＡＲＴｓ＆ＡＰＰ器ＬＩＣ件Ａ与ＴＩＯ应Ｎ用Ｓ ｉｎ ｌｌ ……需要注意的是，设计的匹配网络是按照最大功率传输 设计的，没有考虑传输线与负载之间的无反射匹配，所以 。。 在制作ＰＣＢ版时要根据板子的材质及厚度计算出输入输 ｌ！：竺 下… Ｉ 一 一 辜 ” 上 出的信号线的线宽以使其特性阻抗为５０ ，保证信号线 与负载的无反射匹配。在制作ＰＣＢ版图时为了方便调 试，在匹配网络中加入一些备用的焊盘，在第一级放大管 输出端加入天线焊盘方便单级放大管调试。 理～ 图８ 两级低噪声放大器电路（截图） 言瑟 ｆＤ，Ｍ。） ｉ 露 蓦 ｆｒｅｑ｛＇∞０ＭＨｚｔｏ １ｍ佣Ｇ嘲 图９ 两级低噪声放大器仿真结果（截图） ３低噪声放大电路测试及应用 在测试过程中使用Ａｇｉｌｅｎｔ Ｅ４４３３信号源和Ａｇｉｌｅｎｔ 大器具有较高的增益和较低的噪声系数。 ４ 总结 本文结合ＡＤＳ软件、等噪声圆及等功率圆介绍了两 了ＬＮＡ在工作频段内的绝对稳定状态。最后完成了两级 Ｅ４４０５Ｂ频谱测试仪进行测试。得到低噪声放大器的增益 ＨＰ８９７０Ｂ噪声测试仪，测得噪声系数为０．５８９ ｄＢ。 为２７ ｄＢ，回波损耗为一２３ ｄＢ。噪声系数借助惠普公司的 级ＬＮＡ的设计方法，并通过集电极串联电感的方法实现 为验证本文设计ＬＮＡ的实用性，在使用ＡＤＦ７０２１射 放大管的偏置电路设计和最佳噪声以及最大功率匹配电 频收发芯片的通信模块接收端加入该ＬＮＡ，ＡＤＦ７０２１是 路设计，并根据仿真结果对噪声系数和ｓ参数进行了优 ＡＤＩ公司生产的一款高性能、低功率、窄带收发器，其可在 化。将设计的低噪声放大器应用在中心频率为４３３ ＭＨｚ 窄带、免执照ＩＳＭ频段以及８Ｏ～６５０ ＭＨｚ和８４２～ 的射频通信模块中，测试结果表明，在工作频段内该低噪 ９１６ ＭＨｚ频率范围的许可执照频段内工作，广泛应用于工 声放大器具有较高的增益和良好的匹配，提高了接收系统 业现场数据传输、无线抄表等领域。ＡＤＦＴ０２１内部已集成 的接收灵敏度，增加了通信模块的通信距离。这种ＬＮＡ 自动调整增益的低噪放大电路，接收灵敏度在一１１２ ｄＢｍ 电路对射频通信模块接收端设计具有重要使用价值。 左右，在加入ＬＮＡ后，采用ＡＤＦ７０２１的通信模块接收灵敏 （下转第８８页） 度提高７～８ ｄＢ，通信距离提高近一倍，说明该低噪声放 ８４ 《电视技术》第３８卷第５期（，￣４３２期）Ｉ投稿网址ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ＶｉｄｅｏＥ．ｃｎ