维普资讯 http://www.cqvip.com 第７卷第３期 ２００２年９月 文章编号：１００７—０２４９（２００２）０３—００２１—０４ 电路与系统学报 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＣＩＲＣＵＩＴＳ ＡＮＤ ＳＹＳＴＥＭＳ Ｖｏ１．７ ＮＯ．３ Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ，２００２ 种基于接收机整机噪声最佳的射频ＬＮＡ匹配电路设计 毛文杰， 冉立新， 金仲和， 陈抗生 （浙江大学信息与电子工程学系，浙江杭州３１００２７） 摘要。本文利用等增益圆、等噪声圆概念并结合计算机优化，提出了一种以射频接收机整机噪声系数最佳为目 标的ＬＮＡ匹配电路设计方法，给出了理论依据、设计方法和设计实例。该方法适用于利用现有商用芯片设计无线射 频通信系统的场合。 关镊词。ＬＮＡ；匹配电路设计；等噪声圆；等增益圆 中圈分类号。ＴＮ７１０．８４文献标识码。Ａ １ 引言 低噪声放大器（Ｌｏｗ Ｎｏｉｓｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ，ＬＮＡ）在微波／射频接收系统中处于前端位置，其性能指标 的好坏对接收机整体性能有很大的影响。根据文献［１】，对于由多级放大器组成的接收系统，其整机 噪声系数基本上取决于前级放大器的噪声系数。因而在传统上，ＬＮＡ匹配电路的设计应首先满足最 佳噪声匹配原则，在此基础上，根据接收机设计指标由后级放大器提供足够高的功率增益。 随着近年来移动通信在世界范围内的爆炸性增长，各种射频集成芯片大量出现，由于移动通信设 备的数量极大，该类芯片的价格目前已降得很低，如用于ＧＳＭ／ＣＤＭＡ基站及移动台的ＬＮＡ、混频 器、功放等射频芯片价格绝大部分都在一美元上下。在这种情况下，利用这些已有的廉价芯片进行其 它目的的射频系统设计具有性价比高、开发周期短、性能稳定等一系列优点。现代射频通信系统低功 耗、小型化的发展方向也要求尽可能地利用射频集成芯片进行设计。然而利用现有芯片进行射频系统 设计时会受到芯片固有性能指标的限制，不再能够像采用分立元件设计时可以根据整机的设计指标对 ＬＮＡ、混频器等各级电路的噪声、增益进行比较自由的分配和优化。特别是上述芯片的性能指标主 要参照ＧＳＭ和ＣＤＭＡ的技术要求，与特定目标的射频设计在指标方面的特殊要求有矛盾。例如在 采用这类芯片进行皮卫星的对地通信电路设计时，现有的ＬＮＡ芯片可提供的功率增益余量就不够大， 而ＰＣＢ面积的严格限制又不容许采用多级前置放大。在这种情况下，传统的射频设计原则已不能完 全发挥作用。本文从系统设计的角度出发，通过对典型射频接收系统噪声和功率分配理论及其设计原 则进行分析，利用等增益圆、等噪声圆的概念并结合计算机优化，提出了一种以射频接收机整机噪声 系数最佳为目标的ＬＮＡ匹配电路设计方法，并给出了设计实例。该方法比较适合利用现有商用芯片 进行射频设计的场合。 ２ 理论依据 任意射频器件的噪声系数Ｎ， 定义如下 ¨： Ｊ 揣Ｓ／Ｎｏ “ｆ （一 １） 图１一类典型的射频接收系统框图 ，Ｎ ，分别是输出端的信号功率和噪声功率。 其中：Ｓｉｌｌ Ｎｉ 分别是输入端的信号功率和噪声功率； 使信噪比变坏，信噪比下降的倍数就是噪声系数。 从式（１）中可以看出，噪声系数的物理意义是：信号通过射频器件后，由于该器件产生噪声， ｛收藕日期：２００１．０８．２３ 修订日期：２００２．０３．０５ 基金项目ｔ ９７３皮卫星技术研究资助项目（１９９９０３３１００） 维普资讯 http://www.cqvip.com 电路与系统学报 第７卷 图１是一类典型的无线射频接收系统框图，图中ＬＮＡ前面的传输线、隔离器，后面的抑制镜频 滤波器、混频器等各个部件对整机的噪声系数都有不同的影响。 当中频频率大大高于ＬＮＡ的工作频带宽度时，信号的镜频将落在ＬＮＡ的工作频带以外，此时 不存在镜频噪声，整个射频接收系统的噪声系数Ⅳ 为Ｉ２】： Ⅳｆ’＝ａ Ｎｆｌ－Ｉ一 式中 为传输线损耗，Ⅳ，．为ＬＮＡ噪声系数，Ｇ。为ＬＮＡ的增益，Ⅳ 为混频器的单边带噪声系数。 当ＬＮＡ的工作频带很宽且中频又不是很高时，镜像噪声就要进入混频器，造成系统噪声性能的 下降。假定ＬＮＡ对有用信号的增益是Ｇ１，对镜频噪声的增益是Ｇ ，在混频器的信频通道和镜频通道 变频损耗相同的情况下，整机噪声系数Ⅳ 为： Ⅳ 口ＩＮ １＋ ）＋ 】 （３） Ｕｌ（Ｊｌ 为解决镜像噪声使系统噪声性能下降的问题，通常采用抑制镜频滤波器的方法。如用Ａ代表抑 制镜频滤波器对镜频噪声功率的衰减量，则此时整机噪声系数Ⅳ 为： Ⅳ ＿口【 （１＋ ）－ｔ． 】 （４） 分析上述三式，可以得出关于系统噪声分配的以下结论： １．除ＬＮＡ本身的噪声系数Ⅳ，．外，其增益Ｇ１也会影响到整机的噪声性能。因此在设计ＬＮＡ匹 配电路时，应同时考虑其噪声和增益指标对系统整机噪声性能的影响。 ２．当ＬＮＡ本身增益较高或者混频器噪声系数较小时，ＬＮＡ本身的噪声系数将对整机噪声性能 起决定性作用，此时设计ＬＮＡ匹配电路应尽量降低ＬＮＡ本身的噪声系数。 ３．当ＬＮＡ本身的增益较小而混频器的噪声系数较大时，必须考虑混频噪声对整机系统噪声的影 响，设计ＬＮＡ匹配电路时应考虑适当偏离最佳噪声系数点，以获得略高的功率增益，减少混频器噪 声对系统的影响，从而降低整机噪声系数。 因此，对于我们所关注的情形，即现有ＬＮＡ芯片的固有性能指标不能同时满足整机的增益和噪 声指标要求时，应当采用上述第三条设计原则，从降低整机系统噪声的角度去设计ＬＮＡ匹配电路。 ３ 设计方法 对于集成ＬＮＡ器件，厂商都会提供该器件的Ｓ参数及等效噪声参数，用于其匹配电路设计。带 输入输出匹配电路的ＬＮＡ可用图２表示，其中ＬＮＡ的Ｓ参数为［ 】。若该ＬＮＡ共轭匹配，即 Ｓ２ｌ￥２２ Ｐｌ面两端的反射系数ＦＩ＝ｒ；，Ｐ２面两端的反射系数 ＝ 时，ＬＮＡ功率增益达到最高。在实际工程 设计中，可以用单边最大功率增益来近似代替最大功率增益，即Ｓｉ ２＝０时最大功率增益Ｇ 近似为［３１： 卉 专㈣ｚ 对于任意一个匹配电路，ＬＮＡ产生的 功率增益Ｇ显然要小于Ｇ 。若给定一功率 】） 电输匹路入配 Ｌ 丰｛ 输电出配路 Ｚ 增益Ｇ，在输出匹配的情况下，存在许多不 同反射系数 可以产生相同的功率增益 图２ ＬＮＡ匹配电路原理框图 Ｇ，这些 在史密斯圆图上的轨迹是一个圆，即输入等增益圆。该圆可以用以下方程表示 ： 一 二 ＋ — 二 ＝ ６ 其中： 和Ｓ －都是复数，表示为 ＝Ｕ ＋＿『 ，Ｓ．．＝Ａ。．＋ ｇ 是归一化比例系数，定义为ｇ ＝Ｇ／Ｇ 。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第３期 毛文杰等：一种基于接收机整机噪声最佳的射频ＬＮＡ匹醒皇堕 选择输入等增益圆上任何一点定义的输入匹配电路都可以产生相同的功率增益或损耗，从时域的 角度讲，等增益圆表示正向和反向传输波的幅度之比保持了不变，但它们之间的相位是不同的。 对于一般由金属半导体场效应晶体管或双极型晶体管做成的ＬＮＡ，理论和实验分析都表明…：如 果器件输入口（即Ｐ 面）有一定的失配，反而可以调整器件内部各种噪声之问的相位关系，使它们 在输出口相互抵消，从而降低噪声系数。因此为获得最小的噪声系数， 达到最小噪声系数Ⅳ ，即达到最佳噪声匹配状态。 当输入匹配电路不能达到最佳噪声匹配状态时，ＬＮＡ的噪声系数 将增大。同样由于 是复数，不同的ｒ 值可能得到相同的噪声系数。 当出现噪声失配时，若要维持增大后的Ⅳ，为一个固定值，ｒ 在史密斯 图上的轨迹将是一个圆，称为等噪声圆，该圆可以用以下方程表示 Ｊ： １有个最佳值 ，，此时ＬＮＡ １ Ｒｏ（Ⅳ４ Ｒ ｌ ｒｃ ｌ ，一Ｎｆｒａｉｎ）ｌ ｌ 叩 ，ｌ （７） 、 上式中 、Ｒｏ和Ⅳ，ｍｉ 都是定值，若维持Ⅳ，不变， 在史密 图３ ＬＮＡ的等噪声圆 和等增益圆 斯园图上的轨迹是一个圆。不同的Ⅳ，值，将有相应大小不同的一组圆， 各圆的圆心处在史密斯圆原点与ｒｎ ，的连线上。 利用上述等增益圆和等噪声圆的概念，给出基于系统的整体噪声系数最佳ＬＡＮ匹配电路的设计方法： １．利用前面公式（５）可求出最大功率增益Ｇ 然后选取几个功率增益Ｇ分别在史密斯圆图画 出输入等增益圆。类似的也可以求出最小噪声系数Ⅳ ，并在同一史密斯圆图上画出几个等噪声圆。 ２．根据系统性能要求和所选用的集成芯片，结合上节关于系统噪声分配的结论１、２、３条，以 整机噪声系数最佳为目标，选择合理的反射系数 ，以此作为输入电路匹配的目标。 ３．根据实际经验或器件应用指南确定ＬＮＡ输入电路的结构，然后进行计算机优化直至达到匹配 目标，确定输入电路形式。 ４．用阻抗匹配的方法优化设计输出匹配电路，即使 ： ，并确定输出电路形式。 ４ 设计实例 下面以集成ＬＮＡ器件ＭＡＸ２６４１为例，详细说明这种设计方法的实现过程。 利用该器件的Ｓ参数和等效噪声参数，根据前面等增益圆和等噪声圆的计算方法，在史密斯圆图 内画出工作频点上一组输入等增益圆和等噪声圆，如图３所示。其中虚线圆是等增益圆，相邻圆的功 率增益相差０．５ ｄＢ；实线圆代表等噪声圆，相邻圆之间的噪声系数差０．１ｄＢ。同样可求出最大功率增 益为１３．２５０ ｄＢ，最小噪声系数为１．２０５ ｄＢ，在图中分别是Ｇ点和Ｎ点。本文所研究的射频接收系统 采用了图１所示的典型结构。其中抑制镜频滤波器自己设计，而混频器选用ＭＡＸ２６８２，其单边噪声 系数为１３．４ ｄＢ Ｊ。由于受到ＰＣＢ面积和功耗的严格限制，不容许采用多级前级放大，因此在设计ＬＮＡ 时在满足噪声要求的情况下尽可能提供足够大的功率增益。根据前面基于系统噪声系数最佳的ＬＮＡ 噪声和增益指标分配的结论，本系统属于情况３。也就是要求ＬＮＡ偏离最佳噪声匹配点，增加ＬＮＡ 本身功率增益，抑制混频器噪声。最终选择图３中Ｐ点为输入匹配电路设计的目标，表ｌ具体分析 了不同匹配点时ＬＮＡ的噪声、增益以及系统整机噪声指标，可以看出Ｐ点虽然增加了ＬＮＡ的噪声 系数，但降低了系统整机的噪声系数，又提高了ＬＮＡ的功率增益。因此无论从噪声指标还是功率指 标，都提高了整机系统性 能，达到了设计目标。 根据厂商所提供该 ＬＮＡ应用指南 们，确定 表１不同匹配点时ＬＮＡ的噪声、增益以及系统整体噪声指标 其输入、输出匹配电路结构如图４。输入匹配电路是典型Ｌ、Ｃ结构，其中Ｃ２是隔直电容，一般取 几百ｐＦ；Ｌ１是大小为几个ｎＨ的电感，Ｃ１是大小为几个ｐＦ的电容，输入匹配电路设计的目的就是 维普资讯 http://www.cqvip.com 电路与系统学报 第７卷 确定Ｌ１和Ｃ１的大小。输出电路部分中Ｃ３是隔值电容，同样取几百ｐＦ；Ｃ４是阻抗匹配的主要部件， 通过优化设计确定其大小。 对于射频系统设计，必须考虑传输线对系统性能的影 响，因此在优化设计时必须根据集中参数原理图４和大致的 对于商用集成ＬＮＡ器件，一般在工作频带 内的稳定性是可以保证的，不需进行稳定性判 别。如要证实其在工作频点上的稳定性情况，具 体方法和有关内容，可参见文献［８］。 ５ 结束语 由于ＬＮＡ在射频接收系统中处于十分重要 的位置，其设计的好坏将直接影响整机的性能。 图５电感Ｌｌ变化引起 图６电容ｃ１变化引起 本文从系统设计的角度出发，利用等噪声圆、等 的ｒ ｓ变化图 的ｒ 变化图 增益圆和计算机模拟、优化，以系统整机噪声系数为优化指标，提出了一种设计ＬＮＡ匹配电路的方 法，给出了理论依据、设计方法和设计实例。实践表明该方法是可行的，尤其适用于利用现有商用射 频芯片进行设计的场合。 参考文献： ［１］Ｌｅｅ Ｔｈｏｍａｓ．Ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆＣＭＯＳ Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ［Ｍ］．Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ：Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ．１９９８． ［２］ 高葆薪，胡南山，洪兴南等．微波集成电路设计［Ｍ］．北京：国防工业出版社，Ｉ９９５． ［３１ Ｈｅｗｌｅｔｔ Ｐａｃｋａｒｄ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｎｏｔｅ ｌ５４ Ｓ－Ｐａｒａｍｅｔｅｒ Ｄｅｓｉｇｎ［Ｚ］．１９７２－０４，ｒｅｖｉｓｅｄ ｌ９７３－０５． ［４］ Ｇ．Ｄ．文德林．用Ｓ参数法设计放大器和振荡器［Ｍ］．北京：科学出版社，ｌ９８６． ［５１ Ｐｈｉｌｉｐｓ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｎｏｔｅ ＡＮ２０００ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｆｏｒ ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ ＵＨＦ ｆｒｏｎｔ－ｅｎｄ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔｓ［Ｚ］ｌ ９９７．１ ｌ ［６］ Ｍａｘｉｍ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ．Ｍａｘ２６８２ Ｄａｔａ Ｓｈｅｅｔ［Ｚ］ｌ ９９９－０２． ［７］ Ｍａｘｉｍ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ．Ｍａｘ２６４ ｌ Ｄａｔａ Ｓｈｅｅｔ［Ｚ］．１ ９９９－０２． ［８］ 李润旗等．微波电路ＣＡＤ软件应用技术［Ｍ］．北京：国防工业出版社，ｌ９９６． ［９］ＨａＴｒｉ Ｔ．Ｓｏｌｉｄ－ｓｔａｔｅｍｉｃｒｏｗａｖｅ ａｍｐｌｉｆｉｅｒｄｅｓｉｇｎ［Ｍ］．ＪｏｈｎＷｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ．Ｉｎｃ．１９８１． 作者简介ｔ毛文杰（１９７４一），浙江大学信息与电子工程学系博士研究生，主要从事射频通信电路、ＣＭＯＳ射频集成 电路设计和皮卫星通信技术等方面的研究。 Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ＲＦ ＬＮＡ Ｍａｔｃｈ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｂｅｓｔ Ｎｏｉｓｅ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ Ｒｅｃｅｉｖｅｒ ＭＡＯ Ｗｅｎ－ｊ ｉｅ， ＲＡＮ Ｌｉ－ｘｉｎ， ＪＩＮ Ｚｈｏｎｇ－ｈｅ， ＣＨＥＮ Ｋａｎｇ．ｓｈｅｎｇ （Ｄｅｐｔ．ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３ １００２７，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ＲＦ ＬＮＡ ｍａｔｃｈ ｃｉｒｃｕｉｔｓ ｔａｒｇｅｔｉｎｇ ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｒｅｃｅｉｖｅｒ’ｓ ｇｌｏｂａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｎｏｉｓｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｕｓｉｎｇ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｇａｉｎ ｃｉｒｃｌｅｓ ａｎｄ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｎｏｉｓｅ ｃｉｒｃｌｅｓ ｃｏｎｃｅｐｔｓ ａｎｄ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄＢａｓｅｄ ｔｈｅｏｒｙ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｏｎｅ ｅｘａｍｐｌｅ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ｇｉｖｅｎ．Ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｉｎ ＲＦ ｄｅｓｉｇｎｓ ｕｓｉｎｇ ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ ＲＦ ｃｈｉｐｓＫｅｙｗｏｒｄｓ：ＬＮＡ；Ｍａｔｃｈ ｃｉｒｃｕｉｔｓ；Ｃｏｎｓｔａｎｔ ｎｏｉｓｅ ｃｉｒｃｌｅｓ；Ｃｏｎｓｔａｎｔ ｇａｉｎ ｃｉｒｃｌｅｓ