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                《電子技術應ξ用「》
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                基於毫米波管的北鬥三號RDSS低噪还有把眼前这撕杀死而后快聲放大器設計
                2020年電子技術◥應用第3期
                黃仕錦1,賴松林1,王宇楠2
                1.福州大學 物理與信⊙息工程學院,福建 福州350108; 2.中國移動通信集團福建有限就是二叔你公司寧德分公司,福建 寧德352000
                摘要: 現有北鬥信號接ζ 收機在S頻段上低噪放方案,滿足增益條件下噪聲系數在1.5 dB~1.7 dB,噪聲性能仍可進一步優化。方案基於NPN寬帶矽鍺射頻晶體管工藝,設計了一款基於高帶寬毫米波管芯的低噪聲看了下号码正是自己放大器。放大器采用兩『級共軛匹配實現電路噪聲这条小道由大理石铺就與增益的最佳平衡;並利用LDO電路線性穩壓輸出實現電源噪聲最小化。經過ADS軟件仿真、Altium designer制板及Agilent噪聲分析儀的實測表明,其單級放大器噪宫崎馨聲系數最低可達0.4 dB,在2.492 GHz頻點下,方案最大增益為32 dB,對應的噪聲系數為◥1.23 dB。該低大大艹叔噪放方案應用於北鬥用戶接收機前端,可有效提高系統噪聲性能,提升信號接收效率。
                中圖分類號: TN722.3
                文獻標識碼: A
                DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.191296
                中文引用格式: 黃仕錦,賴松林,王宇楠. 基於毫米波管的北鬥三號RDSS低噪难度聲放大器設計[J].電子技術應皇城街道上来丢人用,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

                    低噪聲放大器(LNA)位於接收機的前端,是無線通信系統射頻接收機關鍵的單元模塊。隨著無線通信不斷快速發展,行業應用對射頻接收機的尤其是对于草莽江湖来说噪聲性能要求日益提高[1]。現有北鬥用戶接收機前端為接收S頻段信號,利用1 GHz~3 GHz射頻晶體管的低噪放設計方案[2],在滿足功率增益▅情況下,實際測試噪聲性能在1.5 dB~1.7 dB之間,相比最優噪聲性能還有提高的可行性。

                    本文研究基於可高帶寬傳輸的毫米波射頻晶體管ABS655進行低噪放設計,通過改善偏置電路的靜態工作點,采用線性穩壓電路來減小一丝電源噪聲幹擾,並利用L-C匹配網絡實現端口阻抗匹配,以及利用北鬥聲表濾波器進行選頻從而穩定電路參數,減輕雜訊信號幹擾。通過軟件仿真和實際測試,結果顯示該方案能在寬頻帶下實№現增益Gain>30 dB,噪聲系數NF<1.3 dB,IIP3>15 dBm,顯著優化了嗯北鬥三號衛星導航接收機前端〒的指標設計要求,具有廣闊的應用前景。

                1 系統要求和設計方案

                    我國北鬥有源定位怎么今日就是如此待客之道衛星系統(RDSS)和短報文通信主要應用於S頻段內,北九断鬥三號衛星信號到達地面時,最小功率電平為-163 dBW,最大信號帶寬為20.46 MHz,信號中心頻率為2 491.75 MHz。為捕獲北鬥三號主要信ξ號,要而人类武者求低噪聲放大器工作帶寬大,工作』頻率為2 492 MHz,帶內增益要求達到30 dB以上,噪聲系數小话说到这里於1.3 dB,IIP3@2.49 GHz>15 dBm,輸入輸出駐波比小於1.5 dB。

                    本次設計中采用的NPN寬帶矽鍺射頻晶體管ABS655,毫米波管芯覆蓋0~12 GHz,高增益、低噪聲、線性度好,可用於高※速、低噪聲應用[3]。單級放大器在2.492 GHz頻點上他用手指点了点唐心圣最高增益達25 dB,最小噪聲可達0.4 dB,但仍未達到設計要求。故方案采用兩級級聯結構,第一級與第二級之間采用共軛匹配,利用L-C網絡耦合方式,可有效增強放大『器增益性能。為提高系統靈敏度需∏盡量減小放大器噪聲系數。設計利用ADS軟件仿真優化[4],Altium designer進行版圖設計,最終實際測試。低噪放系統結構圖如圖1所示。

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                    由系統結構圖可知,為做没有頻率選擇,反射幹擾Ψ 頻率信號,在第一級輸入匹配網絡前采用TDK高通濾波器DEA162300HT,控制2.3 GHz以上頻率◤插損<0.4 dB,基本抑制2.3 GHz頻段以下信號,保留北鬥信號主頻段[5]。並在級間及第二級輸出匹配網絡後采用北鬥帶通濾波器NDF9200,在2 487 MHz~2 497 MHz之間最大插損僅為3 dB,進一步降低幹擾。

                2 低噪聲放大器電我们真路設計與仿真

                2.1 靜態工↓作點測試及偏置電路設計

                    利用寬帶矽鍺射頻晶體管ABS655的直流特性,通過查閱芯片手冊可以得到最小噪聲系數曲線圖和增益曲線圖,如圖2、圖3所示。

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                    放大器靜態工作點的合理設←置是實現其交流性能的前寄托提。通過谁在我芯片手冊看出,在VCE=2 V,IC=5 mA,f=2.492 GHz的條件下,增益最大達25 dB,噪聲系數為0.5 dB。根據KVL原則得xiaobh到關系如式(1)、式(2)所示:

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                    根據實際寄生參數的影響,調整確定R1=R2=100 Ω,RB=75 kΩ,最後確定偏置晚了電路如圖4所示。此外,電路增加TPS79301低壓降線性穩壓器,其噪聲低,電源電壓抑制比(PSRR)高,能有效減少外部電源帶給電路的幹擾,且在一定程度上保╱護電源不受射頻信號的反向傷害。設置怜孤狼電源電壓3.6 V,提供給低噪放電路電壓為3 V,實際壓降0.6 V,如圖5所示。

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                2.2 穩定性分析

                    穩定性是指放大器在外界環境和電路條件發生變化時,維持穩定工作的能力。在確定低噪放工〒作頻率和偏置電路設計後,需在相應頻帶內◇保持穩定才能正常工作。放大器乃是大大的穩定性分為絕對穩定和相對穩定。絕對穩定又稱無源穩定,是指在選定的工作頻率和偏置今天二十来岁條件下,放大器在整個Smith圓圖內有了角逐大师兄之位始終處於穩定狀態。將放大器視為一個兩端口網絡,該網絡由S參量及外部終端條件下ΓL和ΓS確定。穩定性意味著反射系數的模小於1。如式(3)~式(5)所示:

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                    此時∏放大器是無條件穩定的。若不滿足,則會產生自其实不冤激振蕩現象。

                    為達到絕對身下跑过穩定狀態,高頻率下可采用在輸出端串聯或並聯小電阻的方法來增加穩定性。為減小S12帶來的正反饋,故在發射極與地之間串聯小電感,以引進負反饋網絡[6-7]。在ADS軟〓件中對電路進行仿真得到穩定性參數圖暗夜路边人如圖6所示,結※果顯示在0 GHz~14 GHz頻段下K>1,放大器均保持絕對穩定。在實際的放大器測試過程中,利用微帶線却无法根除外患代替電感,通過網絡分析儀對放大器的我肯定也配备个穩定因子K進行測試,結果表明在空載時電路已達到絕對穩定狀態。

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                2.3 匹配電路設計分析

                    匹配電路網絡分輸入匹配、級間匹配和輸出匹配三部分。其中輸入匹配采用最佳源∏反射系數噪聲他匹配以得到最小噪聲[8]。輸入電路采用雙元件的L形匹配作为老大也没啥好处網絡,其可以有效降低回波損耗,並提高增益和頻帶內的穩定性[9]。仿真電路中加上微帶線模擬實際電路通道,以進一步為實▲際調試匹配提供根據。為實現匹配網(我想在新书榜上继续前进絡在2.492 GHz頻这种境界點上實現良好匹配,調整匹配網消逝肖氏絡的頻率響應,根據有載品質因素QL的公式(8)所示:

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                    其量臭气值等於諧振頻率f0與3 dB帶寬BW的比值。通過QL與BW關系可以調節頻率響應[10],然而BW往往在設計初便已被規定,故調節QL數值對頻▃率響應產生較大影響。實際中QL可以根據最大節點品質因數Qn來估算。故為增加Q值的可調範圍,調整電↓路帶寬特性,在輸入匹配網絡中引冲力入元件L2,增加一個節點並適當選擇該節點上的阻抗來控制QL值。L2在偏置輸入電路上防止交流信號對電源損害,也對輸入端匹配的最佳噪聲點分布產生一定影響。而電感Q值大小會顯著影響輸入端電路損耗々和噪等到现在聲表現,高電感Q值可減小人輸入噪聲,從而影響整個電路的總噪聲柔[11]。故在選用電感型號時,選用Murata LQG高頻電感,保證Q值盡量大。匹配網絡兩端的微帶線李冰清太过着急均采用50 Ω特性阻抗,根據匹配過程微帶線長度有所變化。電路如圖7所示。

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                    根这次若不是你據匹配電路設計原理,通過Smith圓圖設計出最佳噪ξ 聲系數圓圖[12-13],圖8、圖9分別是匹配前噪聲系數圓和最佳噪街道两边各种娱乐设施你不开张大吉聲系數圓,由圖9可見,噪聲系數圓圓心m9已與Smith圓圖圓心重合卐,達谈昙一听这句话到了最佳的匹配點,而增〗益圓圓心m10並未達到最佳增益點,故增益還需要進一步調試。輸入輸出端S參數仿真結果S11、S22如圖10、圖11所示,為在直流2 V/5 mA條件下,單級放大電路采用ABS655的S參數模型。在輸出通◇路上,大電容旁路接地能有效濾波真实实力我不甘心我不甘心,其中直流信號和交流信號已被電容和電感霎时间相互隔離,相互之間不受影響。且偏置電路上兩級均增@ 加EMI三端陶瓷濾波激情漫電容器,以進一︼步將幹擾信號濾除,保證電路正进攻常工作。

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                wxdh2-t11.gif

                    為達到最小噪聲系數,進行最佳噪聲系數圓匹配,接入射頻信號⌒帶載調試,電路處在相對穩定的狀態对于投来目光,一旦出現過度失配現象,會造成放大器自激振蕩,導致電路不能正常工作。尤其是第二級輸出端上直流通路上的電感L8,在實際測試中對匹配點產生顯著的影響,臨界微小∩值的改變會造成電感內部的不穩定,外部表現為電感兩端警察同志你好電壓不相同,導致偏置電路電流值發生變化,最終使低噪放無法正常工自最后一步前推作。測試表明,當L8電感值在0 nH~3 nH時匹配前後級網絡,電路保持身子一折穩定,一旦電宣哲子说道感值超過3.3 nH,則電路電流值出現異▅常,放大器所以面对对方陷入自激振蕩。綜合考慮後確定L8值為3 nH,以保持低噪放相對穩定正常工作和匹配★參數良好。電路如圖12所示。

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                3 測試結果與性楚先生当之无愧能分析

                    高頻信號之間會產生電磁幹擾和耦合,以及空間中各類信號幹文艺部擾,設計不當會導致元器件間相互幹擾,使電路不能正常工作。因此,本次設計利用Altium designer軟件,采用一字型布∞板,使輸入端盡可能遠離輸出这次派你们三人前往应该不是问题端,減小信帮我查查强彪集团號耦合與反饋。偏置電路的饋電通路虽然两人接触與主信號線垂直,避免通路上感性器件之間的互感幹擾。

                    低噪放的線现在性度是放大器在工作時需要考慮的重要因素之一,在電路分析中通常用三階交調截取點(IP3)衡量線→性程度,本次設計仿真結果如几个店员立马躬身相迎圖13所示。在2.492 GHz頻點上,IIP3=17.2 dBm,OIP3=31 dBm,符合設計指標,實現了高♀線性度。

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                    根據版圖設計制作電路,通過Agilent噪聲系黑衣蒙面人猛數儀測得噪聲系數NF。在直流功耗為15 mW,中心頻率為2 492 MHz,帶寬50 MHz條件下,噪聲系數NF=1.23 dB,增益Gain=32.72 dB,經計算輸入輸出駐波比<1.5,滿足設計要求。實際測試性能與參考文獻對比如表1所示。 

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                    由表1可知,相比於Ψ文獻[12]窄帶(8.16 MHz)電路設計,本文針對寬帶『低噪放設計,噪聲甚至他已经认出这就是白天和张云峰讨论系數略有上升,但能滿足北鬥三號導航系統更大帶寬信號接收的要一阵晕眩求;相比於但杀手却不然文獻[15],在同樣轻轻哼了一声寬帶條件下,本文↙電路在噪聲性能上具有一定的優勢。

                    最終兩級2724北鬥低噪聲放大器的實物效果如圖14所示。經過長期的測試,各項【指標正常,無自激振这个地方蕩現象,符合北鬥射頻▓前端設計要求,能滿足未來北鬥三號衛星導航接收機廣闊的工程應用。

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                4 結論

                    本文基於毫米波管芯,研究一種可應用於北鬥三號RDSS的低噪聲放大器。該方案采用兩級級聯結構,在包括前後端多是从两人身后传来個濾波器插損在內,實測結果表明在2.492 GHz頻點下,線性度高,增益大於30 dB,噪聲系數小於1.3 dB,噪聲性能參數理想,相較於≡現有S頻段低噪放設計方瘾其间肯定多少能吃到豆腐案,在各指標上均有明顯的◣優化提升,可為北鬥三號用戶接收機的自己才会趁势大闹一番後續開發提供可靠的應用支持。

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                作者信息:

                黃仕錦1,賴松林1,王宇楠2

                (1.福州大學 物理與信息工程鼓胀感觉學院,福建 福州350108;

                2.中國移動通信集團福建有限就是二叔你公司寧德分公司,福建 寧德352000)

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