58 GHz WiMAX低噪声放大器设计与仿真

1、Design and Simulate of 5.8GHz WiMAXLow Noise Amplifier Deng ming Huang Shi zhen (Fujian Key Laboratory of Microelectronics& Integrated Circuits, FuZhou 350002, China )Abstract:A design method that realizes a LNA for Wimax high frequency Low Noise Amplifier with a standards-based IEEE802.16 is in

2、troduced in this paper, the working frequency band at 5.8GHz. Adopt a juvenile 0.15 m phemt process 4x50 m transistor the signal model, current-reused structure was used as LNA circuit structure,and optimize the circuit design of LNA bias circuit.the EDA software of ADS2008 was applied to simulate a

3、nd optimize some important figures of Low Noise Amplifier (LNA) ,such as gain,noise figure, S parameters and so on, The final,we will obtain the design results.Keyword: WiMAX，LNA，ADS，matching circuit，noise figure5.8 GHz WiMAX低噪声放大器设计与仿真邓 明 黄世震(福建省微电子与集成电路重点实验室，福州，350002 )摘要：本文介绍了一种基于IEEE802.16标准的高频段

4、WiMAX低噪声放大器(LNA)的设计方法，工作频段在5.8GHz，采用稳茂0.15m pHEMT工艺 4x50m晶体管大信号模型，选用current-reused结构作为LNA电路结构，并优化设计LNA的电路偏置电路。利用Agilent公司的ADS2008软件对低噪声放大器(LNA) 的一些重要指标：增益、噪声系数、S-参数等进行了仿真分析，得出设计结果。关键词：WiMAX，LNA，ADS仿真，匹配电路，噪声系数1. 引言近些年来，随着通信技术的飞速发展，WiMAX作为一种无线宽带城域网技术1，以其实现更远的传输距离，提供更高速的宽带接入，更优良的最后一公里网络接入服务等优点迅速登上通讯技术

5、的舞台，成为有线宽带和DSL技术的有力竞争者234。射频低噪声放大器(RF LNA) 是无线通信系统射频接收机前端的关键模块，它必须在一定的功耗条件下提供足够的增益,优异的噪声性能,良好的稳定性5。足够的增益可以抑制后续级模块的噪声，优异的噪声性能几乎决定整个接收机的噪声性能,良好的稳定性可以使其在较大的信号动态范围内正常工作。所以低噪声放大器(LNA)的性能优劣对整个WiMAX射频通信接收机是至关重要的6。2.低噪声放大器的主要参数：2.1噪声系数式（2-1）噪声系数定义为放大器输入端信噪比与输出端信噪比的比值,即：噪声系数反映了信号经过系统后信噪比恶化的程度，它总是一个大于1的数，也就是说

6、信号经过系统后信噪比是恶化了。噪声系数是射频电路的关键指标之一，它决定了接收机的灵敏度，影响着模拟通信系统的信噪比和数字通信系统的误码率。无线通信和卫星通信的快速发展对器件、子系统和系统的噪声性能要求越来越高7。式（2-2）对单级放大器而言，其噪声系数的计算为： 其中 NFmin为晶体管最小噪声系数，是由放大器的管子本身决定的，opt、Rn 和s分别为获得 NFmin时的最佳源反射系数、晶体管等效噪声电阻、以及晶体管输入端的源反射系数。2.2放大器增益G：放大器的增益通常被定义为传输给负载ZL的平均功率与信号源的最大资用功率之比： G=PL/PS 式（2-3） 增益通常在阻性信号源和端接阻性负

7、载的情况定义的，这表明了信号源的资用功率都提供给了负载。放大器的资用功率经输出口适当匹配提供了终端，并且增益的值通常是在固定的频点上测到的，又由于大多数放大器的增益-频率曲线的不平坦性，因此还必须说明增益的平坦度。提高低噪声放大器的增益对降低整机的噪声系数非常有利，但低噪声放大器的增益过高会影响整个接收机的动态范围8。所以，一般来说低噪声放大器的增益确定应与系统的整机噪声系数、接收机动态范围等结合起来考虑。2.3输入输出驻波比驻波比全称为电压驻波比，又名VSWR和SWR,表征了系统输入输出回路的匹配情况。当两个回路阻抗数值一样时，即达到完全匹配，反射系数等于0，驻波比为1，这是一种理想的状况，

8、但实际上总存在反射，所以驻波比总是大于1的。在设计低噪声放大器的匹配电路时，通常为获得最小噪声来考虑输入匹配网络的设计，而输出匹配网络一般是为获得最低驻波比和最大输出功率而设计。所以，低噪声放大器的输入端总是存在某种失配，从而影响系统稳定性，通常可以通过添加一个低插损的隔离器来减小放大器输入端失配所引起的端口反射对系统的影响。2.4放大器的动态范围（IIP3）放大器不失真的放大最小信号与最大信号电平的比值被定义为放大器的动态范围。实际运用时，该比值使用dB来表示两信号的电平差，高保真放大器的动态范围应大于90 dB。在低噪声放大器的设计中，应充分考虑整个接收机的动态范围，以免在接收机后级造成严

9、重的非线性失真，一般应选择低噪声放大器的输入三阶交调点IIP3较高一点，至少比最大输入信号高30dB，以免大信号输入时产生非线性失真910。3.电路设计与仿真3.1 系统指标首先，根据LNA系统设计要求来确定指标如下表3-1：设计频率5.8GHz噪声系数<1.5dB增益>20dBS11<-15dBS22<-15dB功耗<20mW表3-1 LNA设计指标3.2电路结构阅读大量文献111213，根据具体的规格，选择电路架构，本LNA电路采用current-reused结构。Current reused LNA电路结构如图3-1。其中虚线为该结构交流路径，实线为该结构的

10、直流路径。DCAC图3-1 current-reused LNA电路结构3.3电路优化设计完成电路结构的选择后，设计LNA的偏置电路。如图3-2为LNA功率放大器偏压电路。图3-2 LNA偏压电路由于pHEMT晶体管是电压控制元件，栅极静态电流基本为零，因此栅极使用电阻偏压并不会增加功耗，而且可以减小芯片面积，但是在输出端偏置电路中的电阻值不可太小，否则会使LNA噪声系数恶化14。设计中取Vdd电压为2.2V，ID电流为8.5mA，且完成偏压电路设计后，整体电路性能稳定。对完成偏置设计的电路进行S参数仿真，得到电路的可资用功率增益圆和等噪声系数圆如图3-3，从图中可以看出噪声系数最小可以为0.

11、6dB，增益最大可以为27.7dB，但两者并不是同一点，因此需要对噪声系数和功率增益进行最优化，以达到权衡。图3-3 LNA 可资用功率增益圆和等噪声系数圆如图3-3所示，最小噪声系数点与最大可资用功率增益点，相差很远，不易取到最佳输入阻抗值，通常可在输入端晶体管的源级加feedback电感，可以使等噪声系数圆与可资用功率增益圆靠近，这样就可以更好的权衡，加feedback电感后的等噪声系数圆与可资用功率增益圆如图3-4，有图可知，虽然最小噪声系数有所变大，最大功率增益有所减小，但仍然符合电路要求，而且两者的权衡会更好。如图，取最小噪声系数点和最大增益点的中间点作为最佳输入阻抗（Zopt）,可

12、得Zopt=67+j*50 。图3-4 加入feedback电感后的LNA可资用功率增益圆和等噪声系数圆根据得到的最佳输入阻抗值Zopt，将输入端50匹配到Zopt=67+j*50 ，输出端利用共轭匹配将输出端匹配到50负载，完成电路设计，得到LNA整体电路如图3-5。图 3-5 LNA整体电路此电路为current-reused LNA结构，该电路具有低功耗，高增益的特点。在直流时，电感L2起到短路作用，因此晶体管Q1,Q2具有相同的ID电流，这样可以减少晶体管功率；在交流时，L2电感起到RFchock作用，且有电容C2的交流短路和C3的交流接地作用，使晶体管Q1,Q2为级联形式，从而提高了

13、整体电路的功率增益。电感Ls为feedback电感，用来tradeoff噪声系数和功率增益，使该电路既有较好的噪声系数，又不会使功率增益太低。考虑电路直流工作的稳定性，在各个电源输入端并联bypass电容，交流短路电容C2应该大一些，以保证交流信号可以跟好的传到下一级。3.4电路参数ADS仿真3.4.1噪声系数图3-6 LNA噪声系数特性NFmin表示该低噪声放大器可以实现的最小噪声系数值，NF为实际匹配到的噪声系数值。如图所示，该低噪声放大器最后模拟得到在5.8GHz时，系统噪声系数为1.2dB。3.4.2增益图3-7 LNA功率增益特性由图3-7可知，该低噪声放大器工作在5.8GHz时，其

14、功率增益为21.3dB， IP1dB为-23.0dBm，OP1dB为-2.8dBm。3.4.3 S-参数图3-8 LNA的S-参数特性由上图可知，在5.8GHz工作频段该低噪声放大器S21模拟值约为21.3dB，S11模拟值约为-33.1dB，S22模拟值约为-45.7dB。4.结论本文立足理论研究，介绍了低噪声放大器主要的特性参数，并优化设计了基于WiMAX的5.8GHz低噪声放大器，运用ADS2008软件详细模拟了LNA的主要性能参数。仿真结果为：噪声系数1.2dB<1.5dB；增益21.3dB>20dB；S11约为-33.1dB<-15dB；S22约为-45.7dB&l

15、t;-15dB；均满足设计指标要求。在WiMAX迅速发展的今天，本次设计具有一定的现实意义，但是，本文今后还有待在电路版图设计中得到提高和改进。参考文献1郎为民，焦巧，蔡理金WiMAX应用与发展技术交流，2009，(6)：15-172刘秀梅，刘俊霞WiMAX技术现状及其发展分析高新技术，2008，(1)：11-123邓志巍，IEEE802.16标准与WiMAX技术浅析电信工程技术与标准化，2006，(8)：29-364刘纯勤，李安涛IEEE802. 11无线局域网标准通信技术1998，55-585王茜，王岩无线城域网WiMAX技术及其应用电信科学，2004，(8)：69-736袁洪君，蒋晓东，

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