高IP3微波低噪声放大器的仿真设计

高IP3微波低噪声放大器的仿真设计

The Design and Simulation of High IP3 Microwave LNA

■西北工业大学电子工程系 李明洋

    【摘  要】本文使用Ansoft公司微波电路CAD软件Serenade，设计了智能天线实验系统接收端的高IP3低噪声放大器(LNA)，设计采用西门子硅锗晶体管SiGe BFP520。文中着重对提高电路的线性度和稳定性、降低噪声系数及改善电路的输入/输出匹配特性的方法进行了分析研究。仿真结果表明，这些方法是正确有效的
    【关键词】Serenade 低噪声放大器 IP3 噪声系数 线性度 稳定性

引言
    低噪声放大器(LNA)广泛应用于移动通信、雷达、电子对抗及遥控遥测系统接收机的前端，其性能好坏直接影响到整个接收系统的性能；因此，低噪声放大器的设计是通信接收机设计的关键。本文阐述在Serenade Design Environment环境下低噪声放大器的仿真和设计。Serenade是Ansoft公司推出的一款强大的微波电路和系统仿真软件，它在场分析的基础上对射频(RF)和微波电路进行全面的线性和非线性分析，可以对各种有线、无线通信系统进行仿真和优化设计，是微波电路和通信系统设计的强有力的工具。在Ansoft公司的官方网站www.ansoft.com.cn上还能免费下载Serenade的学习版Serenade SV。
LNA的技术指标
    所设计的LNA应用于IMT-2000智能天线实验系统的接收机前端，其主要技术指标为：
    工作频率:2GHz
    噪声系数:NF<1.3dB
    三阶交调截取点：IIP3 >5dBm
    增益:G>15dB
    输入、输出驻波比:VSWR<2
LNA的设计
    LNA选择的晶体管是Siemens SiGe BFP520，它以SOT-343表面封装的形式提供，适合于微带PCB的设计； 其价格相对GaAs MESFET和PHEMT 较为便宜，且具有低功耗、高线性度、高增益的优点，1.8GHz、2mA/2V工作环境下其增益Ga=20dB, NF=0.95dB；截止频率 f_{T}=35GH_{2}。
    LNA的设计要综合考虑很多因素，主要有：直流偏置；线性度；稳定性；噪声系数；输出/输入匹配网络。
直流偏置
    确定晶体管的直流工作点和选择直流偏置电路是LNA设计的第一步。一般Vce的增大能提高LNA的线性度，但Vce的增大受到反向击穿电压Vceo的限制；集电极电流Ic的增加有助于提高晶体管的增益和线性度，但最小噪声系数Fmin也会随之增大。选择的直流偏置电路应当具有温度补偿作用，使晶体管的直流工作点稳定，不随温度变化。BFP520最小反向击穿电压Vceo=2.5V，对各个指标进行折衷后确定直流工作点Vce=2.25V，Ic=6.25mA。偏置电路选择最简单的电阻负反馈形式。如图1所示，R1、R2构成负反馈直流偏置。
线性度
    在射频系统中，三阶交调截取点IP3(3rd-order Intercept Point)是一个衡量线性度的重要指标。交调失真对模拟微波通信来说，会产生邻近话路的串扰，对数字微波通信来说，会降低系统的频谱利用率，并使误码率恶化；因此容量越大的系统，要求IP3越高。本设计要求输入信号三阶交调截取点IIP3>5dBm。
    有两种方法能够用来提高LNA的线性度，一是在射极引入串联感性反馈的方法，这种方法的代价是降低了LNA的增益，本设计中，由短路微带线L5，L6引入感性串联反馈。引入L5，L6后，IIP3增加了6dBm，|s21|2降低了5.4dB。
    二是在基射和集射间引入低频(f2-f1)旁路电容的方法。当有双音信号f1 、 f2输入LNA时，由于晶体管的非线性，会产生频率为f2-f1的低频信号。因为晶体管射极电流 Ie和基射间电压VBE 满足下式，
    I_{e}=I_{es}e^{frac{qV_{BE}}{kT}} (1)
    所以，晶体管的静态工作点VBE 因此按 f2-f1的频率波动。为了提高LNA的线性度，应当在基-射和集-射间引入大的旁路电容，消除低频(f2-f1)对晶体管的静态工作点的影响。旁路电容值的选取可作如下近似处理，即旁路电容在频率为(f2-f1)时引入的阻抗应当小于晶体管基-射极间输入阻抗的25%。BFP520的基-射极间输入阻抗为，
Z_{in}=frac{h_{fe}}{g_{m}}=frac{h_{fe}}{I_{CQ}/V_{r}}=frac{140}{6.25/25}=560 (2)
    对于CDMA系统，信道间隔大于1.25MHz，仿真设计时取双音间隔f2-f1=2MHz，所以旁路电容
C≥frac{1}{2 (f_{2}-f_{1})*(0.25*Z_{in})}=570pF (3)
    取基-射和集-射间旁路电容C5=C6=0.1 F(如图1)，加入C5、C6后，IIP3增加了4dBm。
    稳定性
    线性二端口网络一般用S参数来，此时晶体管的绝对稳定条件是K>1且 | |<1，其中
K=frac{1-|S_{11}|^{2}-|S_{22}|^{2}+| |^{2}}{2|S_{12}S_{21}|} (4)
| |=|S_{11}S_{22}-S_{12}S_{21}| (5)
    在Serenade软件环境下，绝对稳定可用K>1且B1>0判定，其中
B_{1}=1+|S_{11}|^{2}-|S_{22}|^{2}-| |^{2} (6)
    设计LNA时，至少有五种可供选择的方法来提高电路的稳定性：(1)、输入端串联/并联电阻，这种方法在提高稳定性的同时也恶化了噪声系数，因而很少使用；(2)、输出端串联/并联电阻，此种方法会降低LNA的增益和IIP3值；(3)、集电极-基极引入R-L-C反馈网络；(4)、在输出端引入滤波网络，由于晶体管在高频(远大于工作频率)可能自激振荡，这种方法可以用来滤出高频增益；(5)、射极引入串联感性反馈，该方法能显著改善LNA高频稳定性。本文采用在输出端并联电阻R3(10 )来改善低频稳定性，射极引入串联感性反馈L5、L6来改善高频稳定性(如图1)，引入R3、L5、L6前后稳定系数K。
    噪声系数和输入/输出匹配网络
    噪声系数F是LNA的另一个重要指标，可用下式表示：
    F=F_{min}+4R_{n}frac{| _{s}- _{opt}|^{2}}{(1-| _{s}|^{2})|1+ _{opt}|^{2}} (7)
式中，Fmin是晶体管的最小(最佳)噪声系数，Rn是晶体管的等效噪声电阻， s和 opt分别是源反射系数和具有最小噪声系数时的源反射系数。可见，噪声系数的大小完全由网络的源反射系数 s确定。在设计低噪声放大器时，为了取得最小噪声系数，输入匹配网络设计成最佳噪声匹配，即 s= opt；输出匹配网络设计成共扼匹配，以获得高的增益。通常，电路最佳噪声匹配点和输入的共轭匹配点差别很大，因而最佳噪声匹配时，会恶化输入端驻波特性。不过，通过在晶体管的射极引入串联感性反馈的方法,可有效地改善这种情况。在Serenade环境下，可按单向化设计，即 s= opt、 L=S22*，借助Smith圆图工具确定匹配网络的初始值。虽然单向化设计精度不高，但Serenade强大的优化功能能很好地改善这一不足。图1微带线L1、L2和L3、L4分别组成输入/输出 型匹配网络。
    最后折衷考虑各种指标进行优化，得到图1所示的LNA完整电路。基板选择厚度h为0.8mm的FR4双面覆铜板，2GHz时其 r=4.6、tan =0.001。优化后，电路的各项指标，完全达到了要求的技术指标。
结束语
    Serenade是设计微波电路的有效工具，具有功能强、优化仿真设计能力突出和用户界面友好等特点。本文借助Serenade软件设计了一个应用于IMT-2000智能天线实验系统的低噪声放大器，从仿真结果可以看出设计的LNA满足所有要求的性能指标。从本文的设计过程来看，借助于Serenade软件对微波电路进行优化设计,能大大缩短设计研制周期将，既节约了成本,又提高了性能。