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CDMA射频前端低噪声放大器电路的研究
发布时间:
2021-07-28
发布时间:
|
标签:
CDMA
噪声放大器电路
摘 要:
文章归纳了射频前端低噪声放大器电路设计中的若干问题,逐一探讨了解决问题的方法。基于有关处理,结合CDMA2000基站中射频低噪声放大器电路的设计要求,完成了实际电路的设计。通过仿真,进一步分析了相关问题处理方法的有效性。
关键词:
低噪声放大器;射频前端;CDMA;ADS仿真
引 言
射频前端低噪声放大器(LNA)电路是无线电设备前端电路设计中的重要内容。由于实际的无线电传播环境通常较为恶劣,因此,其射频前端电路中必须考虑采用LNA。LNA作为射频模块中的关键电路,其噪声大小直接影响着接收机的性能。另一方面,LNA的设计也是无线电设备相关电路设计中有挑战性的内容之一。这主要表现在它同时需要满足高增益、低噪声、良好的输入输出匹配和在尽可能小的工作电流时的无条件稳定性。
作为移动通信标准之一的CDMA2000,是第三代移动通信系统的一个重要技术标准,在世界范围内得到广泛的重视。事实上,LNA电路的设计是这一标准下基站电路设计的主要内容之一。同时,由于移动通信设备应用场合以及CDMA2000多址方式的特殊性,抑制干扰/噪声、提升增益并保持其稳定性,是相关电路设计的基本出发点。因此,可以结合CDMA2000基站LNA电路的设计问题,探讨一般情形下射频LNA电路设计的若干关键问题及其解决途径。这同时也为一般性问题的讨论提供了实际应用的背景。
射频LNA电路设计中的若干问题
低噪声放大电路的设计,首先应同时应着眼于低噪声和高增益两方面的要求。在高增益的情形下,从其性能的可靠性出发,必须兼顾电路的稳定性。为了实现在实际电路设计中对这些因素的综合考虑和折中处理,首先对有关问题逐一加以讨论。
噪声问题及其处理办法
导致放大电路噪声特性变差的主要噪声包括闪烁噪声、热噪声和散弹噪声。其中,闪烁噪声又称为1/f噪声,其取值与半导体材料有关,功率谱密度与频率成反比。因此,在射频情况下可以不予过多考虑。热噪声是电子热运动所引入的噪声,主要受控于环境温度,与电流无关。在射频情形下,这一噪声受外场频率升高的作用,其量值将随频率的升高而明显增大。散弹噪声不直接受温度的影响。散弹噪声的大小正比于工作电流。综上所述,射频低噪声放大电路中作为对噪声的抑制,主要应考虑对热噪声和散弹噪声的抑制。
一般地,噪声问题可以通过选择低噪声器件、降低电路插损、改善线性度,以及降低电路功耗等方式加以有效解决。注意,包括低噪声器件的选择在内,上述方法大都与电路的具体设计有关。因此,在实际设计中应根据相关指标要求,灵活应用上述处理方法。
增益问题及其处理办法
为了实现电路的高增益(一般都在几十dB) ,通常需要采用多级放大电路,如图1中所示的两级放大电路。这一处理方法在实践中得到了广泛应用。
为了兼顾对噪声问题的考虑,应对多级放大电路的噪声和增益加以统一考虑。对m级放大器,其总噪声系数由各单级电路的噪声系数NF和增益Av决定,即
由于各单级放大电路的放大倍数一般都远大于1,显然,多级放大电路总的噪声系数主要由前级电路决定,前级电路的噪声大小成为影响整个电路的主要因素。为此,应当通过选择低噪声器件等方式,使前级电路的噪声得到抑制。同时,折中考虑放大级数、单级放大倍数等的选择。
为了获得LNA电路增益输出,输入输出必须阻抗匹配。对实际的LNA放大电路,其输入输出阻抗一般都设计为508。从噪声的角度看,可以通过天馈端与LNA电路输入端之间的共轭匹配来实现能量的传输。
稳定问题及其处理办法
电路的稳定性也是LNA电路必须考虑的,特别是在放大器的设计中,必须保证放大器的稳定性,以避免可能出现的自激,稳定性判据如下:
定义
如果K>1且|△|<1,则电路对任何信号源和负载阻抗是稳定的;如果K<1或|△|>1,则电路存在潜在的不稳定性。对于某些信号源或负载阻抗会出现自激现象,这种情况并不意味着电路不能工作,但需慎重选择信号源和负载阻抗。所以,在进行电路设计时,必须测量相关元件的S参数。改善电路的稳定性通常可采用四种阻抗连接,其连接方式如图2所示。图2(b) 电路是在电路的输入端接上一个转移电阻来改善稳定性。ADS仿真改善前和改善后的kF特性如图3所示(其中,k代表稳定系数)。
从图3可以看出,当不接入电阻时,晶体管在0.55GHz到1.4GHz都是不稳定的(K<1) ,但接入转移电阻后,在0.4~2GHz的频率范围内都是稳定的(K>1)。可见,电阻的接入改善和提高了电路的稳定性。
当所选晶体管电路是稳定电路之后,通常就可以利用S参数设计电路的噪声和增益。
对上述问题的折中处理
上述问题在实际设计中是彼此关联的,因此,在实际电路设计中应当综合考虑,灵活应用各种方式,实现整体性能的,注意做好诸如噪声、增益、线性、功耗等的折中,从而较好地满足设计指标的要求。为此,我们结合CDMA2000基站中射频前端低噪声放大器的设计问题,探讨上述方法的综合应用。
CDMA2000基站射频LNA电路的设计
按照以上原则,设计了用于CDMA2000基站射频前端的LNA电路,该电路主要性能指标如表1所示。所设计电路的结构框图如图4所示。
低噪声放大器由两级放大器组成。由于Agilent公司的ATF-34143有着优异的低噪声性能,故选用它组成级放大器,为了保证输入级的驻波要求和提高动态范围,采用平衡电路。综合考虑功耗、增益、噪声系数、稳定性等各方面指标,采用正负电源为ATF-34143供电。第二级选用SirenzA公司的SGA-6489微波单片放大器,它具有宽频带、高增益的特性。
图5是级放大器的ADS仿真结果。从图5可以看到,在830MHz时,级放大器的噪声系数为0.305dB,增益为18.8 dB,稳定系数K为1.21,符合预定要求。用ADS仿真软件进行仿真,得到第二级放大器的增益和稳定度特性,如图6 所示。在831MHz时,其增益为19dB,稳定系数为1.13。
为了提高、二级放大器之间的驻波性能和第二级放大器的稳定性,在、第二级放大器之间增加了1dB的固定型衰减器。
在平衡放大器后,使用了M/A-COM公司的数字衰减器AT-226。该器件单电源供电,步进衰减量1dB,可衰减量15dB,可工作于0.5~2GHz之间,具有优良的宽频性能。在数字衰减器后,还采用一个温度补偿衰减器,用来补偿由于稳定变化引起的放大器增益波动。图7是用Cascade得到的通道特性。
结 论
对于RFLNA电路,由于其位置上的特殊性(靠近天线) ,因此,在设计时必须保证通频带内电路的高稳定性、低噪声和高增益,这三个指标是设计考虑的重点。本文对LNA电路中所涉及的主要问题进行了探讨,并提出了解决方法,结合实际LNA电路的设计,较好地验证了方法的可行性。从上面的仿真结果表明,我们的设计较好地满足了相关指标的要求。因此,本文提出的CDMA射频LNA电路设计方法是切实可行的,对相关LNA电路的设计具有很好的指导意义。
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2021-07-28
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