無線傳輸系統(tǒng)中低噪聲放大電路的研究與設(shè)計

　　1 引言

　　近年來，隨著沖擊波存儲測試技術(shù)的不斷發(fā)展，無線傳輸技術(shù)廣泛應(yīng)用于沖擊波存儲測試領(lǐng)域。針對沖擊波測試對無線傳輸系統(tǒng)通信距離的要求，研究了功率放大電路，設(shè)計出低噪聲放大電路，從而提高無線傳輸系統(tǒng)的接收靈敏度，滿足沖擊波測試對無線傳輸距離的要求。

　　2 低噪聲放大電路總體設(shè)計方案

　　圖1為無線傳輸系統(tǒng)原理框圖。接收端的功率放大電路模塊由于信道具有衰減特性，經(jīng)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)竭_(dá)接收端的射頻信號電平多是μV數(shù)量級，因此需放大微弱的射頻信號。同時，信道中還存許多干擾信號，即噪聲，所以該系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)采用低噪聲的射頻功率放大電路。

　　2．1 低噪聲功率放大電路

　　低噪聲功率放大電路的核心器件是低噪聲功率放大器，由于目前市場上的低噪聲功率放大器性價比高，因此該低噪聲功率放大電路無需設(shè)計低噪聲功率放大器，而在于其外圍電路及阻抗匹配。根據(jù)設(shè)計要求，所選的低噪聲功率放大器應(yīng)滿足：工作頻段應(yīng)覆蓋無線收發(fā)器的工作頻率433 MHz；工作電壓為3～3.3 V；高增益；低損耗；小噪聲系數(shù)。

　　以下為射頻功率放大器的主要技術(shù)參數(shù)。

　　(1)工作頻率范圍(F)低噪聲功率放大器滿足各項指標(biāo)的工作頻率范圍。要保證各項指標(biāo)以及放大器的實際工作頻率應(yīng)盡可能在所指定的工作頻率范圍內(nèi)。

　　(2)功率增益(G)是指在輸入輸出端口相匹配下，輸出功率和輸入功率的比值。設(shè)計過程中要求功率增益越大越好。

　　(3)噪聲系數(shù)(NF) 噪聲系數(shù)常作為接收端的小信號低噪聲放大器的主要技術(shù)指標(biāo)，該電路設(shè)計要求噪聲系數(shù)越小越好。

　　(4)1分貝壓縮點輸出功率(P1dB)在放大器線性動態(tài)范圍內(nèi)，其輸出功率隨輸入功率線性增加。隨著輸入功率的繼續(xù)增大，放大器進(jìn)入非線性區(qū)，其輸出功率不再隨輸入功率的增大而線性增大。通常把增益下降到比線性增益低1 dB時的輸出功率值定義為輸出功率的1dB壓縮點，用P1dB表示。動態(tài)范圍越大越好。

　　(5)三階截斷點(IP3) 三階截斷點是衡量功率放大器線性度的重要指標(biāo)，工程上常用三階截斷點表征互調(diào)畸變。

　　(6)輸入、輸出駐波比(VSWR)VSWR反映放大電路輸入和輸出端口的阻抗失配情況，因此低噪聲放大器的VSWR應(yīng)滿足：VSWR越小，反射越小，匹配越好，傳輸效率越高。

　　(7)回波損耗(Reverse Losation)它是信號反射性能的參數(shù)。回波損耗說明入射功率的一部分被反射回到信號源。通常要求反射功率盡可能的小，這樣就有更多的功率傳送至負(fù)載。

　　2．2 低噪聲功率放大器選型

　　根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求，以及多種同類器件比較，RFMD公司的RF2361具有高性能、低噪聲、高增益、高動態(tài)范圍，可接收10 dB的輸入信號，具有工作等待模式的特點，故選用RF2361作為LNA主器件。

　　圖2為RF2361的引腳排列，其中：RF IN為低噪聲功率放大器輸入，需通過一阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)達(dá)到50Ω阻抗匹配：RF0UT為低噪聲功率放大器輸出，也需通過一阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)達(dá)到50Ω阻抗匹配；同時電源VCC給整個電路提供工作電壓。VPD用于控制偏置電流，與偏置電阻R1共同確定偏置電流。GND1、GND2為接地。

　　2．3 低噪聲功率放大電路原理

　　以低噪聲功率放大器RF2361為核心設(shè)計的低噪聲功率放大電路，如圖3所示，其VPD引腳上的并聯(lián)電容器實現(xiàn)電源VPD的濾波，RFOUT引腳上的電感電容串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)可對電源VCC濾波。

　　2．4 放大電路阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)

　　典型的放大器一般包括輸入匹配網(wǎng)絡(luò)、晶體管放大電路、阻抗變換網(wǎng)絡(luò)、直流偏置和輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，如圖4所示。確定阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)中元件的參數(shù)、類型以及連接關(guān)系是實現(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵。阻抗匹配是射頻電路設(shè)計的重要問題，其目的是為了實現(xiàn)能量的最大功率傳輸，提高能量的傳輸效率。

　　阻抗匹配是指在能量傳輸時，要求負(fù)載阻抗和傳輸線的特征阻抗相等，此時傳輸?shù)哪芰坎粫a(chǎn)生反射，幾乎都被負(fù)載吸收。反之，如果阻抗失配，那么傳輸中就會有能量損耗。對于電路中的電流，低頻率時，電阻起主要阻礙作用，而在高頻時，電容和電感起阻礙作用也明顯。因此，在高頻時，就要考慮電路的阻抗匹配問題。

　　阻抗匹配電路的基本要求為：將負(fù)載阻抗變換為與功放要求相匹配的負(fù)載阻抗，以保證傳輸最大能量：濾除多余的各次諧波分量，以保證負(fù)載能獲得所需頻率的射頻功率：匹配電路的功率傳輸效率要盡可能高，即匹配電路的損耗要小。而阻抗匹配有2種方式：改變阻抗力和調(diào)整傳輸線。其中，改變阻抗力：是把電容或電感與負(fù)載串聯(lián)起來，即增加或減少負(fù)載的阻抗值。

　　3 測試結(jié)果

　　采用最優(yōu)性能的RF2361為核心設(shè)計的低噪聲功率放大電路，使用EDA軟件Ansoft designer中的電路優(yōu)化工具來對射頻電路優(yōu)化分析和仿真，優(yōu)化低噪聲放大電路的技術(shù)參數(shù)，其電路仿真結(jié)果表明：整個功率放大電路已達(dá)到50Ω阻抗匹配要求，其網(wǎng)絡(luò)性能得到優(yōu)化，解決了射頻放大電路設(shè)計中電路匹配問題。經(jīng)過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測量，優(yōu)化的電路參數(shù)比以前有較大改進(jìn)，并大大簡化電路設(shè)計。

　　4 結(jié)語

　　提出射頻功率放大電路的總體設(shè)計方案，以低噪聲功率放大器為核心，設(shè)計了低噪聲功率放大電路。采用軟件匹配方法．解決了射頻低噪聲放大電路的阻抗匹配問題，使得低噪聲放大電路的各項重要參數(shù)都得到了優(yōu)化。需要注意的是選擇最優(yōu)的低噪聲功率放大器，有利于增加無線傳輸系統(tǒng)的通信距離。