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，通过改进偏置电路的静态事情点，采取线性稳压电路来减小电源噪声滋扰，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，减轻杂讯旗子暗记滋扰。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吸收机前真个指标设计哀求，具有广阔的运用前景。
1 系统哀求和设计方案
我国北斗有源定位卫星系统(RDSS)和短报文通信紧张运用于S频段内，北斗三号卫星旗子暗记到达地面时，最小功率电平为-163 dBW，最大旗子暗记带宽为20.46 MHz，旗子暗记中央频率为2 491.75 MHz。为捕获北斗三号紧张旗子暗记，哀求低噪声放大器事情带宽大，事情频率为2 492 MHz，带内增益哀求达到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。
本次设计中采取的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、低噪声运用[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，但仍未达到设计哀求。故方案采取两级级联结构，第一级与第二级之间采取共轭匹配，利用L-C网络耦合办法，可有效增强放大器增益性能。为提高系统灵敏度需只管即便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，终极实际测试。低噪放系统构造图如图1所示。
由系统构造图可知，为做频率选择，反射滋扰频率旗子暗记，在第一级输入匹配网络前采取TDK高通滤波器DEA162300HT，掌握2.3 GHz以上频率插损<0.4 dB，基本抑制2.3 GHz频段以下旗子暗记，保留北斗旗子暗记主频段[5]。并在级间及第二级输出匹配网络后采取北斗带通滤波器NDF9200，在2 487 MHz～2 497 MHz之间最大插损仅为3 dB，进一步降落滋扰。
2 低噪声放大器电路设计与仿真
2.1 静态事情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。
放大器静态事情点的合理设置是实现其互换性能的条件。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：
根据实际寄生参数的影响，调度确定R1=R2=100 Ω，RB=75 kΩ，末了确定偏置电路如图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滋扰，且在一定程度上保护电源不受射频旗子暗记的反向侵害。设置电源电压3.6 V，供应给低噪放电路电压为3 V，实际压降0.6 V，如图5所示。
2.2 稳定性剖析
稳定性是指放大器在外界环境和电路条件发生变革时，坚持稳定事情的能力。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事情。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，是指在选定的事情频率和偏置条件下，放大器在全体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：
此时放大器是无条件稳定的。若不知足，则会产生自激振荡征象。
为达到绝对稳定状态，高频率下可采取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，通过网络剖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。
2.3 匹配电路设计剖析
匹配电路网络分输入匹配、级间匹配和输出匹配三部分。个中输入匹配采取最佳源反射系数噪声匹配以得到最小噪声[8]。输入电路采取双元件的L形匹配网络，其可以有效降落回波损耗，并提高增益和频带内的稳定性[9]。仿真电路中加上微带线仿照实际电路通道，以进一步为实际调试匹配供应根据。为实现匹配网络在2.492 GHz频点上实现良好匹配，调度匹配网络的频率相应,根据有载品质成分QL的公式(8)所示：
其量值即是谐振频率f0与3 dB带宽BW的比值。通过QL与BW关系可以调节频率相应[10]，然而BW每每在设计初便已被规定，故调节QL数值对频率相应产生较大影响。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，调度电路带宽特性，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掌握QL值。L2在偏置输入电路上防止互换旗子暗记对电源危害，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，从而影响全体电路的总噪声[11]。故在选用电感型号时，选用Murata LQG高频电感，担保Q值只管即便大。匹配网络两端的微带线均采取50 Ω特性阻抗，根据匹配过程微带线长度有所变革。电路如图7所示。
根据匹配电路设计事理，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，故增益还须要进一步调试。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，单级放大电路采取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，个中直流旗子暗记和互换旗子暗记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，以进一步将滋扰旗子暗记滤除，担保电路正常事情。
为达到最小噪声系数，进行最佳噪声系数圆匹配，接入射频旗子暗记带载调试，电路处在相对稳定的状态，一旦涌现过度失落配征象，会造成放大器自激振荡，导致电路不能正常事情。尤其是第二级输出端上直流利路上的电感L8，在实际测试中对匹配点产生显著的影响，临界眇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革，终极使低噪放无法正常事情。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，则电路电流值涌现非常，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事情和匹配参数良好。电路如图12所示。
3 测试结果与性能剖析
高频旗子暗记之间会产生电磁滋扰和耦合，以及空间中各种旗子暗记滋扰，设计不当会导致元器件间相互滋扰，使电路不能正常事情。因此，本次设计利用Altium designer软件，采取一字型布板，使输入端尽可能阔别输出端，减小旗子暗记耦合与反馈。偏置电路的馈电通路与主旗子暗记线垂直，避免通路上感性器件之间的互感滋扰。
低噪放的线性度是放大器在事情时须要考虑的主要成分之一，在电路剖析中常日用三阶交调截取点(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。
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，中央频率为2 492 MHz，带宽50 MHz条件下，噪声系数NF=1.23 dB，增益Gain=32.72 dB，经打算输入输出驻波比<1.5，知足设计哀求。实际测试性能与参考文献比拟如表1所示。
由表1可知，比较于文献[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，但能知足北斗三号导航系统更大带宽旗子暗记吸收的哀求；比较于文献[15]，在同样宽带条件下，本文电路在噪声性能上具有一定的上风。
终极两级北斗低噪声放大器的实物效果如图14所示。经由长期的测试，各项指标正常，无自激振荡征象，符合北斗射频前端设计哀求，能知足未来北斗三号卫星导航吸收机广阔的工程运用。
4 结论
本文基于毫米波管芯，研究一种可运用于北斗三号RDSS的低噪声放大器。该方案采取两级级联结构，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，噪声性能参数空想，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，可为北斗三号用户吸收机的后续开拓供应可靠的运用支持。
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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有限公司宁德分公司，福建 宁德352000)
