超宽带低噪声放大器的频带选择性设计

王 林，王 军，王丹丹

（西南科技大学 信息工程学院，四川 绵阳621010）

基于ADS和MATLAB平台，设计一种新的具有频带选择性的多谐振负载 络，并构建了一种具有频带选择性的超宽带低噪声放大器，使之既能够屏蔽来自授权频带WLAN信号的干扰又同时放大UWB的信号。在3.1 GHz～10.6 GHz的频带范围内对其仿真获得结果为S11小于-10 dB，最大增益为20.23 dB，最小噪声系数为4.25 dB以下。

多谐振负载 络；频带选择性；超宽带；低噪声放大器

TN772

文献标识码：ADOI：

中文引用格式：王林，王军，王丹丹. 超宽带低噪声放大器的频带选择性设计[J].电子技术应用，2016，42(11)：22-24，28.

英文引用格式：Wang Lin，Wang Jun，Wang Dandan. Frequency selective design of ultra wideband low noise amplifier[J].Application of Electronic Technique，2016，42(11)：22-24，28.

0 引言

随着无线通信技术的发展和广泛应用，频率的需求越来越高，带宽也越来越宽，使得传统的窄带系统已经无法满足大流量数据传输的需求，因此宽带无线通信电路设计成为研究热点。2002年2月14日，美国联邦通信委员会（FCC）正式立法开放3.1～10.6 GHz频段给UWB系统作免执照使用。UWB技术具有发射功率较低、占空比低和抗干扰等特点，被应用在无线电话会议、无线短距离数据传送等诸多领域^[1-2]。然而在FCC开放的频谱中来自授权频带WLAN的信号对免执照使用的频段UWB存在很强的干扰。UWB信号是微弱信号(频谱密度为-41.3 dBm/MHz)，可比拟噪声甚至比一些噪声的频谱密度更低，所以UWB信号不会对WLAN信号产生明显的影响^[3]。考虑到这两种无线局域 的使用区域出现交叠，致使UWB信号在5～6 GHz频段内完全被WLAN信号所淹没的情况，许多文献都进行了深入的研究。文献[2]设计了一个带阻滤波器来滤除WLAN信号，然而这种方法不仅要求整个通频带平坦度要好，滤波器在截止频率处的衰减响应更加陡峭，而且滤波后产生极大损耗和相移。同样使用多个LNA累叠的方式^[4]，来放大各自频段的UWB信号，这种方法不但增加了设计的工作量而且增加了成本。文献[5]则是设计了多谐振负载 络来实现整个频带的选择性，在整个系统中实现了对WLAN信号的屏蔽。

1 电路设计

整个电路的设计主要包括具有频带选择性的多谐振负载 络设计和放大器结构设计两个部分。

1.1 具有频带选择性的多谐振负载 络

当频率从低到高时，受到电感扼流作用的影响，阻抗值是不断增加的。根据多谐振 络的拓扑结构，多谐振负载 络总的阻抗为：

从式(1)可以看出，多谐振负载阻抗的分子项由角频率的偶次项组成，分母由奇次谐波分量构成。由于工作在吉赫兹频段，为了能对信号产生调谐作用，电感和电容的量级确定为纳亨级和皮法级。由此可知：

由于谐波分量次数越高其值越小，所以Z_total的分子值大于分母值，当且仅当f=5.5 GHz即为有约束条件的极值点：

当频率为5 GHz和6 GHz处，阻抗值为10logZ_total=0 dB的间断点，此时开始出现衰减特征。由此可知：

假设当C₂=C₃时，可得Z_{total，5 GHz}=Z_{total，6 GHz}。工作在最高频点10.6 GHz处，最大允许的负载 络的损耗为3 dB，即是：

可推导得C₂<2/(2π×10.6×10⁹)=30 pF。

1.2 放大器结构设计

超宽带低噪声放大器是UWB无线接收机中的一个重要的模块，它必须在很宽的频带范围里提供足够高的增益和引入尽可能小的噪声，因此选择一个良好的电路拓扑结构来实现其性能要求是很重要的^[9]。

2 仿真结果分析

基于0.18 μm CMOS工艺利用ADS仿真软件对整个频带选择性的低噪声放大电路进行仿真，其结果如图4所示。其图4(a)显示了放大器的放大性能，也很好地反映出多谐振 络对无用信号的选频能力。上下通频带内，放大电路的增益超过10 dB，并对无用信号的幅度衰减也达到-20 dB。图4(b)为电路最小噪声系数随频率的变化关系，可以看出电路噪声性能良好，最小噪声系数小于4.25 dB。

由表1中的参考数据可以说明：由于采用了无源LC输入匹配 络和电流复用结构，本电路的结构与参考文献相比较在其他性能参数略有缺憾的条件下具有工作带宽大、增益大、噪声较低、功耗较低的优点。

3 结论

参考文献

[1] PARK B，LEE K，CHOI S，et al.A 3.1-10.6 GHz RF receiver front-end in 0.18 μm CMOS for ultra-wideband applications[J].IEEE MTT-S International Microwave Symposium digest.IEEE MTT-S International Microwave Symposium，2010：1616-1619.

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[3] PARK B H，JUNG J H.Design of a full-band CMOS UWB receiver and fast-hopping carrier generator for 3.1-10.6 GHz[J].Analog Integrated Circuits & Signal Processing，2014，79(1)：45-56.

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[5] CUSMAI G，BRANDOLINI M，ROSSI P,et al.A 0.18 μm CMOS selective receiver front-end for UWB applications[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，2006，41(8)：1764-1771.

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[7] HSU M T，HSIEH Y C，OU A C.Design of low power UWB CMOS LNA using RC feedback and body-bias technology[C].ASIC(ASICON)，2013 IEEE 10th International Conference on.IEEE，2013：1-4.

[8] 赵常余.具有频带选择性的超宽带低噪声放大器的设计[D].绵阳：西南科技大学，2010.

[9] 华明清，王志功，李智群.0.18 μm CMOS 3.1～10.6 GHz超宽带低噪声放大器设计[J].电路与系统学 ，2007，12(1)：44-47.

[10] 王巍，彭能，王颖，等.3～5 GHz超宽带并联负反馈低噪声放大器的设计[J].微电子学，2011，41(1)：10-14.

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