探讨无线传输系统中低噪声放大电路的设计

中心议题：
    *  低噪声放大电路总体设计方案
    *  测试结果
解决方案：
    *  采用低噪声的射频功率放大电路

1 引言

近年来，随着冲击波存储测试技术的不断发展，无线传输技术广泛应用于冲击波存储测试领域。针对冲击波测试对无线传输系统通信距离的要求，研究了功率放大电路，设计出低噪声放大电路，从而提高无线传输系统的接收灵敏度，满足冲击波测试对无线传输距离的要求。

2 低噪声放大电路总体设计方案

图1为无线传输系统原理框图。接收端的功率放大电路模块由于信道具有衰减特性，经远距离传输到达接收端的射频信号电平多是μV数量级，因此需放大微弱的射频信号。同时，信道中还存许多干扰信号，即噪声，所以该系统设计应采用低噪声的射频功率放大电路。



2．1 低噪声功率放大电路

低噪声功率放大电路的核心器件是低噪声功率放大器，由于目前市场上的低噪声功率放大器性价比高，因此该低噪声功率放大电路无需设计低噪声功率放大器，而在于其外围电路及阻抗匹配。根据设计要求，所选的低噪声功率放大器应满足：工作频段应覆盖无线收发器的工作频率433 MHz；工作电压为3～3.3 V；高增益；低损耗；小噪声系数。

以下为射频功率放大器的主要技术参数。

(1)工作频率范围(F)低噪声功率放大器满足各项指标的工作频率范围。要保证各项指标以及放大器的实际工作频率应尽可能在所指定的工作频率范围内。

(2)功率增益(G)是指在输入输出端口相匹配下，输出功率和输入功率的比值。设计过程中要求功率增益越大越好。

(3)噪声系数(NF) 噪声系数常作为接收端的小信号低噪声放大器的主要技术指标，该电路设计要求噪声系数越小越好。

(4)1分贝压缩点输出功率(P1dB)在放大器线性动态范围内，其输出功率随输入功率线性增加。随着输入功率的继续增大，放大器进入非线性区，其输出功率不再随输入功率的增大而线性增大。通常把增益下降到比线性增益低1 dB时的输出功率值定义为输出功率的1dB压缩点，用P1dB表示。动态范围越大越好。

(5)三阶截断点(IP3) 三阶截断点是衡量功率放大器线性度的重要指标，工程上常用三阶截断点表征互调畸变。

(6)输入、输出驻波比(VSWR)VSWR反映放大电路输入和输出端口的阻抗失配情况，因此低噪声放大器的VSWR应满足：VSWR越小，反射越小，匹配越好，传输效率越高。

(7)回波损耗(Reverse Losation)它是信号反射性能的参数。回波损耗说明入射功率的一部分被反射回到信号源。通常要求反射功率尽可能的小，这样就有更多的功率传送至负载。

2．2 低噪声功率放大器选型

根据系统设计要求，以及多种同类器件比较，RFMD公司的RF2361具有高性能、低噪声、高增益、高动态范围，可接收10 dB的输入信号，具有工作等待模式的特点，故选用RF2361作为LNA主器件。

图2为RF2361的引脚排列，其中：RF IN为低噪声功率放大器输入，需通过一阻抗匹配网络达到50Ω阻抗匹配：RF0UT为低噪声功率放大器输出，也需通过一阻抗匹配网络达到50Ω阻抗匹配；同时电源VCC给整个电路提供工作电压。VPD用于控制偏置电流，与偏置电阻R1共同确定偏置电流。GND1、GND2为接地。

 

2．3 低噪声功率放大电路原理

以低噪声功率放大器RF2361为核心设计的低噪声功率放大电路，如图3所示，其VPD引脚上的并联电容器实现电源VPD的滤波，RFOUT引脚上的电感电容串并联网络可对电源VCC滤波。



2．4 放大电路阻抗匹配网络

典型的放大器一般包括输入匹配网络、晶体管放大电路、阻抗变换网络、直流偏置和输出阻抗匹配网络，如图4所示。确定阻抗匹配网络中元件的参数、类型以及连接关系是实现匹配网络的关键。阻抗匹配是射频电路设计的重要问题，其目的是为了实现能量的最大功率传输，提高能量的传输效率。



阻抗匹配是指在能量传输时，要求负载阻抗和传输线的特征阻抗相等，此时传输的能量不会产生反射，几乎都被负载吸收。反之，如果阻抗失配，那么传输中就会有能量损耗。对于电路中的电流，低频率时，电阻起主要阻碍作用，而在高频时，电容和电感起阻碍作用也明显。因此，在高频时，就要考虑电路的阻抗匹配问题。

阻抗匹配电路的基本要求为：将负载阻抗变换为与功放要求相匹配的负载阻抗，以保证传输最大能量：滤除多余的各次谐波分量，以保证负载能获得所需频率的射频功率：匹配电路的功率传输效率要尽可能高，即匹配电路的损耗要小。而阻抗匹配有2种方式：改变阻抗力和调整传输线。其中，改变阻抗力：是把电容或电感与负载串联起来，即增加或减少负载的阻抗值。

3 测试结果

采用最优性能的RF2361为核心设计的低噪声功率放大电路，使用EDA软件Ansoft designer中的电路优化工具来对射频电路优化分析和仿真，优化低噪声放大电路的技术参数，其电路仿真结果表明：整个功率放大电路已达到50Ω阻抗匹配要求，其网络性能得到优化，解决了射频放大电路设计中电路匹配问题。经过矢量网络分析仪的测量，优化的电路参数比以前有较大改进，并大大简化电路设计。

4 结语

提出射频功率放大电路的总体设计方案，以低噪声功率放大器为核心，设计了低噪声功率放大电路。采用软件匹配方法．解决了射频低噪声放大电路的阻抗匹配问题，使得低噪声放大电路的各项重要参数都得到了优化。需要注意的是选择最优的低噪声功率放大器，有利于增加无线传输系统的通信距离。