《电子技术应用》
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基于毫米波管的北斗三号RDSS低噪声放大器设计
2020年电子技术应用第3期
黄仕锦1,赖松林1,王宇楠2
1.福州大学 物理与信息工程学院,福建 福州350108; 2.中国移动通信集团福建北京幸运28宁德分公司,福建 宁德352000
摘要: 现有北斗信号接收机在S频段上低噪放方案,满足增益条件下噪声系数在1.5 dB~1.7 dB,噪声性能仍可进一步优化。方案基于NPN宽带硅锗射频晶体管工艺,设计了一款基于高带宽毫米波管芯的低噪声放大器。放大器采用两级共轭匹配实现电路噪声与增益的最佳平衡;并利用LDO电路线性稳压输出实现电源噪声最小化。经过ADS软件仿真、Altium designer制板及Agilent噪声分析仪的实测表明,其单级放大器噪声系数最低可达0.4 dB,在2.492 GHz频点下,方案最大增益为32 dB,对应的噪声系数为1.23 dB。该低噪放方案应用于北斗用户接收机前端,可有效提高系统噪声性能,提升信号接收效率。
中图分类号: TN722.3
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.191296
中文引用格式: 黄仕锦,赖松林,王宇楠. 基于毫米波管的北斗三号RDSS低噪声放大器设计[J].电子技术应用,2020,46(3):5-9,13.
英文引用格式: Huang Shijin,Lai Songlin,Wang Yunan. Design of BDS-3 RDSS low noise amplifier based on millimeter wave tube[J]. Application of Electronic Technique,2020,46(3):5-9,13.
Design of BDS-3 RDSS low noise amplifier based on millimeter wave tube
Huang Shijin1,Lai Songlin1,Wang Yunan2
1.School of Physics and Information Engineering,University of Fuzhou,Fuzhou 350108,China; 2.Ningde Branch of China Mobile Communications Group Fujian Co.,Ltd.,Ningde 352000,China
Abstract: The existing Beidou signal receiver has a low-noise amplifier scheme in the S-band, and the noise figure is between 1.5 dB~1.7 dB under the condition of meeting the gain requirements and the noise performance can be further optimized. The scheme studies a low noise amplifier(LNA) based on a high-bandwidth millimeter wave tube. The tube is based on NPN broadband silicon germanium RF transistor process. Amplifier uses two-stage conjugate matching to achieve the best balance between circuit noise and gain,and uses LDO circuit linear regulated output to minimize power supply noise. ADS software simulation, Altium designer board and actual measurement of Agilent noise analyzer show that it′s single-stage amplifier has a minimum noise figure of 0.4 dB. At 2.492 GHz, the maximum gain of the solution is 32 dB, and the corresponding noise figure is 1.23 dB. The low-noise amplifier scheme is applied to the front end of Beidou user receiver, which can effectively improve the system noise performance and improve the signal receiving efficiency.
Key words : Beidou-3 satellite receiver;low noise amplifier;Advanced Design Systems simulation;millimeter wave tube

0 引言

    低噪声放大器(LNA)位于接收机的前端,是无线通信系统射频接收机关键的单元模块。随着无线通信不断快速发展,行业应用对射频接收机的噪声性能要求日益提高[1]。现有北斗用户接收机前端为接收S频段信号,利用1 GHz~3 GHz射频晶体管的低噪放设计方案[2],在满足功率增益情况下,实际测试噪声性能在1.5 dB~1.7 dB之间,相比最优噪声性能还有提高的可行性。

    本文研究基于可高带宽传输的毫米波射频晶体管ABS655进行低噪放设计,通过改善偏置电路的静态工作点,采用线性稳压电路来减小电源噪声干扰,并利用L-C匹配网络实现端口阻抗匹配,以及利用北斗声表滤波器进行选频从而稳定电路参数,减轻杂讯信号干扰。通过软件仿真和实际测试,结果显示该方案能在宽频带下实现增益Gain>30 dB,噪声系数NF<1.3 dB,IIP3>15 dBm,显著优化了北斗三号卫星导航接收机前端的指标设计要求,具有广阔的应用前景。

1 系统要求和设计方案

    我国北斗有源定位卫星系统(RDSS)和短报文通信主要应用于S频段内,北斗三号卫星信号到达地面时,最小功率电平为-163 dBW,最大信号带宽为20.46 MHz,信号中心频率为2 491.75 MHz。为捕获北斗三号主要信号,要求低噪声放大器工作带宽大,工作频率为2 492 MHz,带内增益要求达到30 dB以上,噪声系数小于1.3 dB,IIP3@2.49 GHz>15 dBm,输入输出驻波比小于1.5 dB。

    本次设计中采用的NPN宽带硅锗射频晶体管ABS655,毫米波管芯覆盖0~12 GHz,高增益、低噪声、线性度好,可用于高速、低噪声应用[3]。单级放大器在2.492 GHz频点上最高增益达25 dB,最小噪声可达0.4 dB,但仍未达到设计要求。故方案采用两级级联结构,第一级与第二级之间采用共轭匹配,利用L-C网络耦合方式,可有效增强放大器增益性能。为提高系统灵敏度需尽量减小放大器噪声系数。设计利用ADS软件仿真优化[4],Altium designer进行版图设计,最终实际测试。低噪放系统结构图如图1所示。

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    由系统结构图可知,为做频率选择,反射干扰频率信号,在第一级输入匹配网络前采用TDK高通滤波器DEA162300HT,控制2.3 GHz以上频率插损<0.4 dB,基本抑制2.3 GHz频段以下信号,保留北斗信号主频段[5]。并在级间及第二级输出匹配网络后采用北斗带通滤波器NDF9200,在2 487 MHz~2 497 MHz之间最大插损仅为3 dB,进一步降低干扰。

2 低噪声放大器电路设计与仿真

2.1 静态工作点测试及偏置电路设计

    利用宽带硅锗射频晶体管ABS655的直流特性,通过查阅芯片手册可以得到最小噪声系数曲线图和增益曲线图,如图2、图3所示。

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    放大器静态工作点的合理设置是实现其交流性能的前提。通过芯片手册看出,在VCE=2 V,IC=5 mA,f=2.492 GHz的条件下,增益最大达25 dB,噪声系数为0.5 dB。根据KVL原则得到关系如式(1)、式(2)所示:

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    根据实际寄生参数的影响,调整确定R1=R2=100 Ω,RB=75 kΩ,最后确定偏置电路如图4所示。此外,电路增加TPS79301低压降线性稳压器,其噪声低,电源电压抑制比(PSRR)高,能有效减少外部电源带给电路的干扰,且在一定程度上保护电源不受射频信号的反向伤害。设置电源电压3.6 V,提供给低噪放电路电压为3 V,实际压降0.6 V,如图5所示。

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2.2 稳定性分析

    稳定性是指放大器在外界环境和电路条件发生变化时,维持稳定工作的能力。在确定低噪放工作频率和偏置电路设计后,需在相应频带内保持稳定才能正常工作。放大器的稳定性分为绝对稳定和相对稳定。绝对稳定又称无源稳定,是指在选定的工作频率和偏置条件下,放大器在整个Smith圆图内始终处于稳定状态。将放大器视为一个两端口网络,该网络由S参量及外部终端条件下ΓL和ΓS确定。稳定性意味着反射系数的模小于1。如式(3)~式(5)所示:

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    此时放大器是无条件稳定的。若不满足,则会产生自激振荡现象。

    为达到绝对稳定状态,高频率下可采用在输出端串联或并联小电阻的方法来增加稳定性。为减小S12带来的正反馈,故在发射极与地之间串联小电感,以引进负反馈网络[6-7]。在ADS软件中对电路进行仿真得到稳定性参数图如图6所示,结果显示在0 GHz~14 GHz频段下K>1,放大器均保持绝对稳定。在实际的放大器测试过程中,利用微带线代替电感,通过网络分析仪对放大器的稳定因子K进行测试,结果表明在空载时电路已达到绝对稳定状态。

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2.3 匹配电路设计分析

    匹配电路网络分输入匹配、级间匹配和输出匹配三部分。其中输入匹配采用最佳源反射系数噪声匹配以得到最小噪声[8]。输入电路采用双元件的L形匹配网络,其可以有效降低回波损耗,并提高增益和频带内的稳定性[9]。仿真电路中加上微带线模拟实际电路通道,以进一步为实际调试匹配提供根据。为实现匹配网络在2.492 GHz频点上实现良好匹配,调整匹配网络的频率响应,根据有载品质因素QL的公式(8)所示:

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    其量值等于谐振频率f0与3 dB带宽BW的比值。通过QL与BW关系可以调节频率响应[10],然而BW往往在设计初便已被规定,故调节QL数值对频率响应产生较大影响。实际中QL可以根据最大节点品质因数Qn来估算。故为增加Q值的可调范围,调整电路带宽特性,在输入匹配网络中引入元件L2,增加一个节点并适当选择该节点上的阻抗来控制QL值。L2在偏置输入电路上防止交流信号对电源损害,也对输入端匹配的最佳噪声点分布产生一定影响。而电感Q值大小会显著影响输入端电路损耗和噪声表现,高电感Q值可减小输入噪声,从而影响整个电路的总噪声[11]。故在选用电感型号时,选用Murata LQG高频电感,保证Q值尽量大。匹配网络两端的微带线均采用50 Ω特性阻抗,根据匹配过程微带线长度有所变化。电路如图7所示。

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    根据匹配电路设计原理,通过Smith圆图设计出最佳噪声系数圆图[12-13],图8、图9分别是匹配前噪声系数圆和最佳噪声系数圆,由图9可见,噪声系数圆圆心m9已与Smith圆图圆心重合,达到了最佳的匹配点,而增益圆圆心m10并未达到最佳增益点,故增益还需要进一步调试。输入输出端S参数仿真结果S11、S22如图10、图11所示,为在直流2 V/5 mA条件下,单级放大电路采用ABS655的S参数模型。在输出通路上,大电容旁路接地能有效滤波,其中直流信号和交流信号已被电容和电感相互隔离,相互之间不受影响。且偏置电路上两级均增加EMI三端陶瓷滤波电容器,以进一步将干扰信号滤除,保证电路正常工作。

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    为达到最小噪声系数,进行最佳噪声系数圆匹配,接入射频信号带载调试,电路处在相对稳定的状态,一旦出现过度失配现象,会造成放大器自激振荡,导致电路不能正常工作。尤其是第二级输出端上直流通路上的电感L8,在实际测试中对匹配点产生显著的影响,临界微小值的改变会造成电感内部的不稳定,外部表现为电感两端电压不相同,导致偏置电路电流值发生变化,最终使低噪放无法正常工作。测试表明,当L8电感值在0 nH~3 nH时匹配前后级网络,电路保持稳定,一旦电感值超过3.3 nH,则电路电流值出现异常,放大器陷入自激振荡。综合考虑后确定L8值为3 nH,以保持低噪放相对稳定正常工作和匹配参数良好。电路如图12所示。

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3 测试结果与性能分析

    高频信号之间会产生电磁干扰和耦合,以及空间中各类信号干扰,设计不当会导致元器件间相互干扰,使电路不能正常工作。因此,本次设计利用Altium designer软件,采用一字型布板,使输入端尽可能远离输出端,减小信号耦合与反馈。偏置电路的馈电通路与主信号线垂直,避免通路上感性器件之间的互感干扰。

    低噪放的线性度是放大器在工作时需要考虑的重要因素之一,在电路分析中通常用三阶交调截取点(IP3)衡量线性程度,本次设计仿真结果如图13所示。在2。492 GHz频点上,IIP3=17。2 dBm,OIP3=31 dBm,符合设计指标,实现了高线性度。

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    根据版图设计制作电路,通过Agilent噪声系数仪测得噪声系数NF。在直流功耗为15 mW,中心频率为2 492 MHz,带宽50 MHz条件下,噪声系数NF=1。23 dB,增益Gain=32。72 dB,经计算输入输出驻波比<1。5,满足设计要求。实际测试性能与参考文献对比如表1所示。 

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    由表1可知,相比于文献[12]窄带(8。16 MHz)电路设计,本文针对宽带低噪放设计,噪声系数略有上升,但能满足北斗三号导航系统更大带宽信号接收的要求;相比于文献[15],在同样宽带条件下,本文电路在噪声性能上具有一定的优势。

    最终两级北斗低噪声放大器的实物效果如图14所示。经过长期的测试,各项指标正常,无自激振荡现象,符合北斗射频前端设计要求,能满足未来北斗三号卫星导航接收机广阔的工程应用。

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4 结论

    本文基于毫米波管芯,研究一种可应用于北斗三号RDSS的低噪声放大器。该方案采用两级级联结构,在包括前后端多个滤波器插损在内,实测结果表明在2。492 GHz频点下,线性度高,增益大于30 dB,噪声系数小于1。3 dB,噪声性能参数理想,相较于现有S频段低噪放设计方案,在各指标上均有明显的优化提升,可为北斗三号用户接收机的后续开发提供可靠的应用支持。

参考文献

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作者信息:

黄仕锦1,赖松林1,王宇楠2

(1。福州大学 物理与信息工程学院,福建 福州350108;

2。中国移动通信集团福建北京幸运28宁德分公司,福建 宁德352000)

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