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2.4GHz微波低噪声放大器设计

张志华  
【摘要】:低噪声放大器是现代无线通信、卫星、雷达等电子系统中一个很重要的器件,多用于接收系统的前端,放大信号和抑制噪声干扰,同时提高系统的灵敏度。假设在接收系统的前端接一个性能较高的低噪声放大器,只要低噪声放大器的增益足够大,就能起到抑制后一级电路的噪声,则接收机系统的噪声系数由放大器的噪声系数来决定。 本文主要分析了一种用于蓝牙无线通信的低噪声放大器。首先深入理解微波放大器电路的理论原理:微波二端口网络的分析,史密斯圆图,微带传输线理论,无源器件的射频特性,微波晶体管的特性;其次详细介绍了低噪声放大器的主要性能指标:稳定性的定义及稳定的条件,噪声系数以及与噪声温度的关系,动态范围,放大器的增益和平坦度,噪声匹配及几种典型结构,输入输出电路匹配的方式;然后分析一些典型的电路设计结构及方法;最后设计了一种工作在蓝牙频段的低噪声放大器。 本论文采用了ADS 2008和Microwave office 2002仿真软件,完成对低噪声放大器电路的整体设计与仿真,主要的设计过程分为四步。第一步是在明确放大器的性能指标后,着手晶体管的选取,直流偏置电路的设计。第二步是判断放大器的稳定性。对ATF54143晶体管仿真后,发现晶体管在目标频段范围内工作并不稳定。因而需要采用一种负反馈电路来改善放大器的稳定性,本论文采用的源极串联微带线反馈的方式。第三步就放大器电路的输入和输出匹配电路。输入匹配电路以最小噪声系数来匹配网络,输出匹配电路以最大增益来匹配网络。第四步就完成了单极电路的仿真之后,还要进行电路级联的匹配,电路设计完成之后进行电路的优化和改进,以达到放大器的设计目标。最后是电路PCB设计的原则和注意要点,采用Protel软件完成对电路的PCB版图设计。 在低噪声放大器的设计与仿真中,本文采用了Avago公司的ATF54143晶体管作为主要器件,工作频段在2.3~2.6 GHz,中心频率为2.45GHz,也就是蓝牙无线通信中LNA的工作频率(2402~2480 MHz)。在源极串联微带线反馈,确保低噪声放大器的稳定性;输入电路以最小噪声系数来匹配,使放大器的噪声系数小于1dB;输出电路以最大增益来匹配,使放大器的增益大于20dB,并且输入输出驻波比皆小于1.5,基本上达到了预期效果。 在低噪声放大器电路的设计中,其性能指标相互之间往往会有矛盾,其中以最小噪声系数和最大增益之间矛盾最为突出。很多时候两者不能同时满足,设计的时候常常要采用折中方案,以求放大器的各项性能指标达到预期目标。


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