低噪声放大器(LNA)位于接收机的前端，是无线通信系统中射频接收机的关键单元模块。随着无线通信的快速发展，工业应用对射频接收机的噪声性能要求越来越高。现有北斗用户接收机前端用于接收S波段信号，采用1 GHz~3 GHz射频晶体管的低噪声放大器设计方案2。在满足功率增益的情况下，实际测试噪声性能在1.5 dB-1.7 dB之间，比最优噪声性能更可行。
本文研究了基于高带宽传输的毫米波射频晶体管ABS655的低噪声放大器的设计。通过提高偏置电路的静态工作点，采用线性稳压电路降低电源噪声干扰，采用L-C匹配网络实现端口阻抗匹配，采用北斗声表滤波器选频稳定电路参数，降低噪声信号干扰。通过软件仿真和实际测试，结果表明该方案在宽频带内可实现30 dB的增益、1.3 dB的噪声系数和315 DBM的IIP，显著优化了北斗三号卫星导航接收机前端的设计要求，具有广阔的应用前景。
1 系统要求和设计方案
中国的北斗有源定位卫星系统(RDSS)和短消息通信主要用于S波段。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。为了捕获北斗三号的主信号，要求低噪声放大器具有较大的工作带宽，工作频率为2 492 MHz，带内增益大于30 dB，噪声系数小于1.3 dB，IIP3@2.49 GHz15 dBm，输入输出驻波比小于1.5 dB。
本设计采用的NPN宽带硅锗射频晶体管ABS655，毫米波管芯覆盖0 ~ 12 GHz，具有高增益、低噪声和良好的线性度，可用于高速低噪声应用。单级放大器在2.492 GHz的最大增益为25 dB，最小噪声为0.4 dB，但仍达不到设计要求。因此，该方案采用两级级联结构，第一级和第二级之间共轭匹配，L-C网络耦合方式，可以有效增强放大器的增益性能。为了提高系统的灵敏度，必须将放大器的噪声系数降至最低。设计ADS软件仿真优化4、Altium designer进行版图设计，最后实际测试。低噪声放大器系统的结构图如图1所示。
根据系统结构图，为了进行频率选择和反映干扰频率信号，在第一级输入到匹配网络之前采用了TDK高通滤波器DEA162300HT，在2.3 GHz以上的频率控制了0.4 dB的插入损耗，基本抑制了2.3 GHz以下的信号，保留了北斗信号的主频带5。级间和二级输出匹配网络后使用北斗带通滤波器NDF9200，2 487 MHz~2 497 MHz之间最大插入损耗仅为3 dB，进一步降低了干扰。
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DC特性，通过查阅芯片手册可以得到最小噪声系数曲线和增益曲线，如图2和图3所示。
放大器静态工作点的合理设置是实现其交流性能的前提。根据芯片手册，在VCE=2 V，IC=5 mA，f=2.492 GHz的条件下，最大增益为25 dB，噪声系数为0.5 dB。根据KVL原理获得的关系如公式(1)和公式(2)所示：
根据实际寄生参数的影响，调整确定R1=R2=100，RB=75k。最后，偏置电路如图4所示确定。另外，电路中加入了TPS79301 LDO线性稳压器，低噪声，高PSRR，可以有效降低外部电源对电路的干扰，在一定程度上保护电源免受射频信号的反向破坏。设置电源电压为3.6 V，提供给低噪声放大电路的电压为3 V，实际压降为0.6 V，如图5所示。
2.2 稳定性分析
稳定性是指当外部环境和电路条件发生变化时，放大器保持稳定工作的能力。低噪声放大器的工作频率和偏置电路设计确定后，需要稳定在相应的频段才能正常工作。放大器的稳定性分为绝对稳定性和相对稳定性。绝对稳定，也称被动稳定，是指在选定的工作频率和偏置条件下，放大器在整个史密斯圆图中始终处于稳定状态。放大器视为二端口网络，由S参数和外部终端条件下的 L、 S决定。稳定意味着反射系数的模数小于1。如公式(3)至公式(5)所示：
此时放大器无条件稳定。如果没有，就会发生自激振荡。
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。
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：
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
<1> BEVILACQUA A，NIKNEJAD A M.An ultrawideband CMOS low-noise amplifier for 3.1-10.6-GHz wireless receivers
<2> Sun Chao，Hu Haoquan，Pang Qianyun.Design of a S-band low noise amplifier
<3> 魏启迪，林俊明，章国豪，等.应用于802.11ac的SiGe BiCMOS低噪声放大器
<4> 陈烈强，顾颖言.利用ADS仿真设计射频宽带低噪声放大器
<5> 唐霆宇.一种小型化超宽带接收前端的设计与实现
<6> 程曦，邱义杰.6-18 GHZ小型化低噪声放大器的设计
<7> 王林，王军，王丹丹.超宽带低噪声放大器的频带选择性设计
<8> 孟庆斌，黄贵兴，葛付伟，等.一种低噪放多级匹配网络的设计与仿真
<9> 刘萌萌，张盛，王硕，等.一种CMOS超宽带LNA的优化设计方法
<10> LUDWIG R，BOGDANOV G.射频电路设计：理论与应用
<11> 彭龙新，林金庭，魏同立.宽带单片低噪声放大器
<12> 陈昊，蔡文郁，汪润泉.基于ATF5143和SGL0622Z的北斗低噪放设计
<13> 马杰，王丽黎.北斗+GPS高性能低噪声放大器的研究与设计
<14> 耿志卿.一种2.4GHz低功耗可变增益低噪声放大器
<15> 韦可雷，郭敏，黄雷，等.2.4GHz低噪声放大器设计
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)
