5.8GHz

Size: px

Start display at page:

Download "5.8GHz"

炼莫
5 years ago
Views:

1 5.8GHz 平衡式 LNA 设计马亮 1, 孙海珍 2, 赵顺 3 (1,2,3. 东南大学毫米波国家重点实验室, 江苏南京 ) 摘要 : 本文选用三菱半导体公司 MGF4941 型芯片, 采用两级结构设计低噪声放大器第一级采用平衡放大器结构, 利用 90 混合网络增加平坦度并改善反射系数, 采用最小噪声系数设计方法降低整体噪声系数 ; 第二级采用最大增益设计方法提高整体增益利用 AWR 公司提供的 AWR 软件仿真结果为 :5.8GHz 处噪声系数为 0.72dB, 增益为 29.36dB,200MHz 带宽内增益平坦度 0.45dB, 输入输出驻波比 S11,S22 都低于 -10dB 实物测试结果为 5.8GHz 处增益为 dB, 200MHz 带宽内增益平坦度 0.31dB, 输入输出反射系数 S11,S22 都低于 -10dB 所设计的低噪放具有良好的性能关键词 : 低噪声放大器,MGF4941, 平衡放大器结构,90 混合网络, 最小噪声系数法, 最大增益方法,AWR Design of 5.8GHz balanced LNA MA Liang 1, SUN Haizhen 2, ZHAO Shun 3 (1,2,3. Southeast University State Key Lab of Millimeter Waves, Jiangsu Nanjing ) Abstract: In the paper, we select MGF4941 chip of Mitsubishi Semiconductor Company to design a 2-stage LNA. The 1 st stage consists of the balanced amplifier structure, using 90 hybrid network to improve the flatness and reflection coefficient. Besides, we use the method of minimum noise figure to reduce the noise figure; The 2nd stage is designed by the method of maximum gain to improve the gain. With the help of the software provided by AWR Corporation, the simulation results are as follows: noise 5.8GHz is 0.72dB, gain is 29.36dB, the flatness within 200MHz bandwidth is 0.45dB, the input and output reflection efficient S11 and S22 are both lower than -10dB. In addition, we have tested the performance of the real object, which indicated that 5.8GHz is 29.36dB, the flatness within 200MHz bandwidth is 0.3dB, the input and output reflection efficient S11 and S22 are both lower than -10dB. Therefore, the LNA we designed has good perforemance. Key words: LNA, MGF4941, balanced amplifier structure, 90 hybrid network, minimum noise figure, maximum gain, AWR. 1 低噪声放大器简介低噪声放大器 (LNA) 是噪声系数很低的放大器, 一般用作各类无线电接收机的高频或中频前置放大器 ( 比如手机电脑或者 ipad 里面的 WiFi), 以及高灵敏度电子探测设备的放大电路目前, 低噪声微波放大器 (LNA) 已广泛应用于微波通信 GPS 接收机遥感遥控雷达电子对抗射电天

2 文大地测绘电视及各种高精度的微波测量系统中, 是必不可少的重要电路低噪声放大器位于射频接收系统的前端, 其主要功能是将来自天线的低电压信号进行小信号放大在放大微弱信号的场合, 放大器自身的噪声对信号的干扰可能很严重, 因此希望减小这种噪声, 以提高输出的信噪比由放大器所引起的信噪比恶化程度通常用噪声系数 F 来表示理想放大器的噪声系数 F= 1(0 分贝 ), 其物理意义是输出信噪比等于输入信噪比 LNA 是射频接收机前端的主要部分, 它主要有四个特点首先, 它位于接收机的最前端, 这就要求它的噪声系数越小越好为了抑制后面各级噪声对系统的影响, 还要求有一定的增益, 但为了不使后面的混频器过载, 产生非线性失真, 它的增益又不宜过大放大器在工作频段内应该是稳定的其次, 它所接受的信号是很微弱的, 所以低噪声放大器必定是一个小信号放大器而且由于受传输路径的影响, 信号的强弱又是变化的, 在接受信号的同时又可能伴随许多强干扰信号输入, 因此要求放大器有足够的线型范围, 而且增益最好是可调节的第三, 低噪声放大器一般通过传输线直接和天线或者天线滤波器相连, 放大器的输入端必须和他们很好的匹配, 以达到功率最大传输或者最小的噪声系数, 并保证滤波器的性能第四, 应具有一定的选频功能, 抑制带外和镜像频率干扰, 因此它一般是频带放大器 2 设计目标本次设计的任务是实现宽带射频 LNA 的研制, 中心频率为 5.8GHz, 频率范围为 5.7~5.9GHz 在工作频率范围内需满足如下指标 : (1) 增益 G>28dB; (2) 增益平坦度 <1dB; (3)S11<-10dB,S22<-10dB; (4) 噪声系数 <1dB 图 1 MGF4941 芯片性能 3 总体设计 3.1 器件选择本次设计所使用的芯片为三菱半导体公司的 MGF4941AL, 该芯片的相关性能如图 1 所示 : 该芯片在设计中心频率 5.8G 处的增益大约为 14dB, 最小噪声系数大约为 0.247dB, 所以用这款芯片设计可以得到增益高噪声系数低的低噪放所使用的介质基片的参数为 : 介电常数 2.55, 板厚度 0.508mm, 金属片厚度 0.018mm 3.2 设计结构本次设计采用两级结构, 如图 2 所示第一级采用平衡放大器结构, 用 90 混合网络增加平坦度以及改善反射系数, 第一级中的每个放大器采用最小噪声系数的设计方式, 以降低整体的噪声系数 ; 第二级为

3 单个低噪放, 采用最大增益设计的方法, 以提高整体的增益最小噪声系数由原来的 0.247dB 变为 0.319dB 图 2 LNA 的两级结构 4 AWR 软件仿真设计 4.1 第一级平衡放大器设计稳定性设计 MGF4941AL 的稳定性情况可由稳定系数 K 标示, 只有当 K>1 时才稳定图 4 输出端串联小电阻后的稳定性扇形偏置设计扇形偏置的作用是在高频时将电源与射频电路隔离, 使其不影响射频性能扇形偏置的电路如图 5 所示图 3 MGF4941 的稳定性由图 3 可以看出,MGF4941AL 在工作频段内是不稳定的为了提高器件的稳定性, 采用在芯片 MGF4941AL 漏极输出串联电阻的方式, 这样一方面可以增加稳定性, 另一方面因为电阻串在芯片输出端, 不会导致噪声系数有很大恶化在芯片输出端串联 33Ω 电阻后的稳定性仿真如图 4 所示从图 4 可以看出, 在工作频段内 K>1, 芯片是绝对稳定的此外, 由于串联电阻导致噪声系数增加, 在中心频率 5.8GHz 处, 图 5 扇形偏置设计扇形与器件漏极相接的线采用四分之一波长高阻线, 仿真时通过优化扇形的角度及半径, 使得电路的 S11 尽可能大,S21 尽可能小, 说明射频信号没有泄露至电源部分图 6 扇形偏置仿真

仿真采用 AXIEM 仿真, 得到的仿真结果如图 6 所示将输出匹配与稳定器件输入匹配及扇形偏置级联后得到的电路如图 9 所示 4.1.3 输入匹配设计采用单支节微带线对稳定器件进行输入匹配, 为保持微带线的特征阻抗 50Ω, 5.8G 时的微带线宽为 1.

NFCIR 为噪声系数圆 ( 蓝线 ), 该组圆的第一个圆 ( 半径为 0, 实际为一个点 ) 即为最小噪声系数圆, 输入匹配的目标即为 : 将输入匹配网络的 S(2,2) 在圆上的位置调节到与最小噪声系数圆重合的位置

4 仿真采用 AXIEM 仿真, 得到的仿真结果如图 6 所示将输出匹配与稳定器件输入匹配及扇形偏置级联后得到的电路如图 9 所示输入匹配设计采用单支节微带线对稳定器件进行输入匹配, 为保持微带线的特征阻抗 50Ω, 5.8G 时的微带线宽为 1.4mm 匹配电路如图 7 所示图 9 输出匹配设计图 7 输入匹配设计仿真时采用 AXIEM 进行电磁仿真, 可以得到比电路模型仿真更精确的结果调节输出网络的相关参数, 兼顾平坦度与增益, 得到最后的仿真结果图 10 所示图 8 最小噪声系数法图 8 中 NFCIR 为噪声系数圆 ( 蓝线 ), 该组圆的第一个圆 ( 半径为 0, 实际为一个点 ) 即为最小噪声系数圆, 输入匹配的目标即为 : 将输入匹配网络的 S(2,2) 在圆上的位置调节到与最小噪声系数圆重合的位置通过调节匹配网络中单支节的位置跟长度即可达到这样的目标图 10 输出匹配仿真混合网络设计混合网络的电路图和版图如图 11 所示输出匹配输出匹配的目的就是使得放大器的增益最大, 匹配网络依然选择微带线单支节图 11 混合网络电路图及版图调节参数进行优化, 采用 AXIEM 仿真, 得

5 到的仿真结果如图 12 所示图中耦合端直通端对应着图中左边的坐标轴, 隔离端及输入反射对应着右边的坐标轴好 4.2 第二级低噪放设计最大增益圆第二级的作用主要是增加放大器的增益, 所以设计时采用最大增益的设计方式采用单支节微带线对稳定器件进行输入匹配, 使得输入网络的 S22 与最大增益圆 ( 实际为一个点 ) 重合图 12 混合网络仿真将以上所设计好的各个部分级联起来, 构成平衡放大器, 如图 13 所示图 15 中 GAC_MAX 为等增益圆 ( 红线 ), 该组圆的第一个圆 ( 半径为 0, 实际为一个点 ) 即为最大增益圆 (16dB) 输出匹配第二级的输出匹配的目的同样是使得放大器的增益最大, 但是需兼顾平坦度等其图 13 平衡放大器图 13 中 S5 S6 S7 S8 为隔直电容 (S2P 文件 ) 对整个平衡放大器仿真, 并调节相应的参数, 得到的结果如图 14 所示图 15 最大增益设计他指标, 采用单支节匹配将输入匹配网络稳定器件及输出匹配网络级联, 并调节参数仿真得到的结果如图 16 所示图 14 第一级平衡放大器仿真结果可以看到, 仿真结果显示平衡放大器在中心频率处的增益大约为 14dB, 平坦度小于 1dB, 噪声系数和 S11 S22 性能都很良图 16 输出匹配仿真

中心频率处的最大增益由于考虑平坦度, 并没有达到最大的 16dB 将两级放大器级联并加入隔直电容后的电路如图 17 所示的 PCB 版图与实物图分别如图 19, 图 20 所示图 20 LNA 实物图 5.

两级级联后性能仿真中心频率处的增益为 29.36dB, 带内平坦度为 0.45dB,S11 及 S22 都小于 -10dB, 中心频率处噪声系数为 0.

1 PCB 版图与实物图将 AWR 生成的版图导入到 Altium 中, 添加供电电路射频输入接口等, 最终形成图 21 LNA 测试结果可以看出,5.8GHz 处增益为 28.879dB, 平坦度约为 0.

6 中心频率处的最大增益由于考虑平坦度, 并没有达到最大的 16dB 将两级放大器级联并加入隔直电容后的电路如图 17 所示的 PCB 版图与实物图分别如图 19, 图 20 所示图 20 LNA 实物图 5.2 低噪放性能测试图 17 两级放大器电路图,2d,3d 版图仿真结果如图 18 所示利用矢量网络分析仪对低噪放的性能指标进行测试, 测试结果为如图 21 所示图 18 两级级联后性能仿真中心频率处的增益为 29.36dB, 带内平坦度为 0.45dB,S11 及 S22 都小于 -10dB, 中心频率处噪声系数为 0.72dB 整个放大器具有良好的性能 5 LNA 的物理实现 5.1 PCB 版图与实物图将 AWR 生成的版图导入到 Altium 中, 添加供电电路射频输入接口等, 最终形成图 21 LNA 测试结果可以看出,5.8GHz 处增益为 dB, 平坦度约为 0.31dB,S11 D22 都小于 -10dB 由于实验室噪声分析仪损坏, 噪声系数暂时无法测量但从测得的指标来看, 设计的平衡式 LNA 具有良好的性能 6 小结本文详述了 5.8GHz 平衡式 LNA 的设计与测试过程采用两级级联, 第一级采用平衡放大器结构, 利用 90 混合网络增加平坦度并改善反射系数, 采用最小噪声系数设计方法降低整体噪声系数 ; 第二级采用最大增益设计方法提高整体增益利用 AWR 公司图 19 PCB 版图

7 提供的 AWR 软件进行设计与仿真, 并进行了版图的绘制与实物的测试测试结果与仿真结果接近, 各项指标都满足设计要求, 所设计的 LNA 具有良好性能

FPGAs in Next Generation Wireless Networks WPChinese

FPGA 2010 3 Lattice Semiconductor 5555 Northeast Moore Ct. Hillsboro, Oregon 97124 USA Telephone: (503) 268-8000 www.latticesemi.com 1 FPGAs in Next Generation Wireless Networks GSM GSM-EDGE 384kbps CDMA2000