無線數(shù)字圖像傳輸濾波低噪聲放大器

1、無線數(shù)字圖像傳輸濾波低噪聲放大器1低噪聲放大器的應(yīng)用無線數(shù)字圖像傳輸系統(tǒng)采用先進(jìn)的COFDM調(diào)制技術(shù)、信道編解碼技術(shù)、差錯(cuò)控制技術(shù)，并結(jié)合MPEG2視音頻壓縮編碼技術(shù)，在高速移動(dòng)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)視頻、語(yǔ)音、數(shù)據(jù)等寬帶多業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)同步傳輸，具有很強(qiáng)的抗多徑干擾能力和在有遮擋環(huán)境中的傳輸能力，實(shí)現(xiàn)在“高速運(yùn)動(dòng)中”“非通視條件下”高質(zhì)量圖像的實(shí)時(shí)傳輸，傳輸靈敏度高、移動(dòng)性好、保密性好、抗干擾和抗衰落能力強(qiáng)、傳輸數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性突出等顯著優(yōu)點(diǎn)。該產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于廣電、公安、消防、交警、人防應(yīng)急、城管執(zhí)法、消防應(yīng)急、水利防汛、電力搶險(xiǎn)、鐵路搶險(xiǎn)、海事執(zhí)法、海監(jiān)巡查、海關(guān)邊防、碼頭監(jiān)控、森林防火、油田防盜、軍

2、事偵察等，適合城區(qū)、海上、山地等多種復(fù)雜環(huán)境中。圖像通信技術(shù)主要優(yōu)越性在于臨場(chǎng)感強(qiáng)、信息量大、準(zhǔn)確記錄瞬間發(fā)生的事件、圖像信息容易記錄、不失真，為指揮中心提供集體決策的手段。無線數(shù)字圖像傳輸設(shè)備普遍追求清晰度高、傳輸距離遠(yuǎn)、輻射功率小、覆蓋范圍大，這就對(duì)系統(tǒng)的接收靈敏度提出了更高的要求，我們知道，系統(tǒng)接收靈敏度的計(jì)算公式如下：S = -174 + NF + 10BW + S/N （1）由上式可見，確定系統(tǒng)帶寬、解調(diào)S/N以后，能有效提高靈敏度的關(guān)鍵因素就是降低接收機(jī)的噪聲系數(shù)，而決定接收機(jī)的噪聲系數(shù)的關(guān)鍵部件就是處于接收機(jī)最前端的低噪聲放大器。低噪聲放大器的主要作用是放大天線接收到的微弱信號(hào)，

3、降低噪聲干擾，所以低噪聲放大器的設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)接收機(jī)來說是至關(guān)重要的。2低噪聲放大器技術(shù)指標(biāo)21 噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)的定義為放大器輸入信噪比與輸出信噪比的比值，即：（2）（3）對(duì)單級(jí)放大器而言，其噪聲系數(shù)的計(jì)算為：其中 Fmin為晶體管最小噪聲系數(shù)，是由放大器的管子本身決定的， opt、Rn 和s分別為獲得 Fmin時(shí)的最佳源反射系數(shù)、晶體管等效噪聲電阻、以及晶體管輸入端的源反射系數(shù)。對(duì)多級(jí)放大器而言，其噪聲系數(shù)的計(jì)算為： NF=NF+(NF-1)/G+(NF-1)/GG+ （4）其中NFn為第n級(jí)放大器的噪聲系數(shù)，Gn 為第n級(jí)放大器的增益。在某些噪聲系數(shù)要求非常高的系統(tǒng)，由于噪聲系數(shù)很小，用噪聲

4、系數(shù)表示很不方便，常常用噪聲溫度來表示，噪聲溫度與噪聲系數(shù)的換算關(guān)系為： Te = T0 ( NF 1 ) （5）其中Te 為放大器的噪聲溫度，T0 =2900 K，NF為放大器的噪聲系數(shù)。 NF(dB) = 10LgNF （6） 2 2 放大器增益放大器的增益定義為放大器輸出功率與輸入功率的比值： G=Pout / Pin （7） 從式（4）中可見，提高低噪聲放大器的增益對(duì)降低整機(jī)的噪聲系數(shù)非常有利，但低噪聲放大器的增益過高會(huì)影響整個(gè)接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。 所以，一般來說低噪聲放大器的增益確定應(yīng)與系統(tǒng)的整機(jī)噪聲系數(shù)、接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍等結(jié)合起來考慮。2 3 駐波比低噪聲放大器的輸入輸出駐波比表征了其

5、輸入輸出回路的匹配情況，我們?cè)谠O(shè)計(jì)低噪聲放大器的匹配電路時(shí)，輸入匹配網(wǎng)絡(luò)一般為獲得最小噪聲而設(shè)計(jì)為接近最佳噪聲匹配網(wǎng)絡(luò)而不是最佳功率匹配網(wǎng)絡(luò)，而輸出匹配網(wǎng)絡(luò)一般是為獲得最大功率和最低駐波比而設(shè)計(jì)，所以，低噪聲放大器的輸入端總是存在某種失配。這種失配在某些情況下會(huì)使系統(tǒng)不穩(wěn)定，一般情況下，為了減小放大器輸入端失配所引起的端口反射對(duì)系統(tǒng)的影響，可用插損很小的隔離器等其他措施來解決。2 4反射系數(shù)由式3可知，當(dāng)s = opt 時(shí)，放大器的噪聲系數(shù)最小，NF=NFmin ，但此時(shí)從功率傳輸?shù)慕嵌葋砜矗斎攵耸鞘涞?，所以放大器的功率增益?huì)降低，但有些時(shí)候?yàn)榱双@得最小噪聲，適當(dāng)?shù)臓奚恍┰鲆嬉驳驮肼暦糯?/p>

6、器設(shè)計(jì)中經(jīng)常采用的一種辦法。2 5動(dòng)態(tài)范圍在低噪聲放大器的設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮整個(gè)接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍，以免在接收機(jī)后級(jí)造成嚴(yán)重的非線性失真，一般應(yīng)選擇低噪聲放大器的輸入三階交調(diào)點(diǎn)IIP3較高一點(diǎn)，至少比最大輸入信號(hào)高30dB，以免大信號(hào)輸入時(shí)產(chǎn)生非線性失真。除以上各項(xiàng)外，低噪聲放大器的工作頻率、工作帶寬及通帶內(nèi)的增益平坦度等指標(biāo)也很重要，設(shè)計(jì)時(shí)要認(rèn)真考慮。3低噪聲放大器設(shè)計(jì)方法3.1 低噪聲管選擇對(duì)微波電路中應(yīng)用的低噪聲放大管的主要要求是高增益和低噪聲以及足夠的動(dòng)態(tài)范圍，目前雙極型低噪聲管的工作頻率可以達(dá)到幾個(gè)千兆噪聲系數(shù)為幾個(gè)分貝，而砷化鎵小信號(hào)的場(chǎng)效應(yīng)管的工作頻率更高，噪聲系數(shù)可在1dB以下。

7、我們?cè)谶x取低噪聲放大器管通常可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮：1） 微波低噪聲管的噪聲系數(shù)足夠小，工作頻段足夠高，晶體管的fT一般要比工作頻率高4倍以上，現(xiàn)在PHEMT 場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲系數(shù)在2GHz可在0.5dB左右，工作頻率高端可達(dá)到6GHz。 2） 微波低噪聲管要有足夠高的增益和高的動(dòng)態(tài)范圍,一般要求放大器工作增益大于10dB以上, 當(dāng)輸入信號(hào)達(dá)到系統(tǒng)最大值時(shí)由放大器非線性引起的交調(diào)產(chǎn)物小于系統(tǒng)本底噪聲。3.2 匹配電路設(shè)計(jì) 對(duì)于單級(jí)晶體管放大器的噪聲系數(shù)，如上式（3）所示，式（3）可以化成一個(gè)圓的表達(dá)式，即等噪聲系數(shù)圓。圓上每一點(diǎn)代表一個(gè)能產(chǎn)生恒定噪聲系數(shù)NF的源反射系數(shù)。如要獲得需要的噪聲系

8、數(shù)，只要在圓圖上畫出對(duì)應(yīng)于這個(gè)噪聲系數(shù)的圓，然后將源阻抗匹配到這個(gè)圓上的一個(gè)點(diǎn)就行了。實(shí)際設(shè)計(jì)中由于要兼顧到放大器的增益，通常我們不取最小噪聲系數(shù)。在對(duì)放大器進(jìn)行單項(xiàng)化設(shè)計(jì)時(shí)（假定S120），轉(zhuǎn)移功率增益GT可以由如下公式表示： GT=G0G1G2 其中 ， 對(duì)于特定的晶體管S11、S22是確定的， 不同的源反射系數(shù)1 和負(fù)載反射系數(shù)2 ，可以構(gòu)成恒定增益圓，設(shè)計(jì)時(shí)只須將源和負(fù)載反射系數(shù)分別匹配到相應(yīng)的圓上，便能得到相應(yīng)的增益。將恒定增益圓與等噪聲系數(shù)圓結(jié)合起來設(shè)計(jì)，便能得到比較理想的結(jié)果。另外設(shè)計(jì)中還要注意增益平坦設(shè)計(jì)主要是高端共軛匹配，低端校正，一般還需在多個(gè)中間頻率上進(jìn)行增益規(guī)定性校驗(yàn)，

9、在高頻應(yīng)用時(shí)由于微波晶體管本身的增益一般隨著頻率的升高而降低，為了保證電路在低頻率段的增益恒定和穩(wěn)定性可以考慮在輸入輸出端采用高通匹配方式。 在以上的討論中我們忽略了晶體管的反向傳輸系數(shù)，實(shí)際中微波場(chǎng)效應(yīng)晶體管和雙極性晶體管都存在內(nèi)部反饋，微波管的S12就表示內(nèi)部反饋量，它是電壓波的反向傳輸系數(shù)。S12越大，內(nèi)部反饋越強(qiáng)，反饋量達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，將會(huì)引起放大器穩(wěn)定性變壞，甚至產(chǎn)生自激振蕩。微波管的S21代表電壓波的正向傳輸系數(shù)，也就是放大倍數(shù)。S21越大，則放大以后的功率越強(qiáng)。在同樣的反饋系數(shù)S12的情況下，S21越大當(dāng)然反饋的功率也越強(qiáng)，因此S21也影響放大器的穩(wěn)定性。一個(gè)微波管的射頻絕對(duì)穩(wěn)定

10、條件是 其中 K稱為穩(wěn)定性判別系數(shù)，K大于1是穩(wěn)定狀態(tài)，只有當(dāng)式（24）中的三個(gè)條件都滿足時(shí)，才能保證放大器是絕對(duì)穩(wěn)定的。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)為了保證低噪聲放大器穩(wěn)定工作還要注意使放大器避開潛在不穩(wěn)定區(qū)。 為改善微波管自身穩(wěn)定性，有以下幾種方式：1）串接阻抗負(fù)反饋 在MESFET的源極和地之間串接一個(gè)阻抗元件，從而構(gòu)成負(fù)反饋電路。對(duì)于雙極晶體管則是在發(fā)射極經(jīng)反饋元件接地。在實(shí)際的微波放大器電路中，電路尺寸很小，外接阻抗元件難以實(shí)現(xiàn)，因此反饋元件常用一段微帶線來代替，它相當(dāng)于電感性元件的負(fù)反饋。2） 用鐵氧體隔離器鐵氧體隔離器應(yīng)該加在天線與放大器之間，假定鐵氧體隔離器的正向功率衰減為a，反向功率衰減為b，

11、且a³1，b>1。則 G0為加隔離器前的反射系數(shù)，G為加隔離器后的反射系數(shù)。 用以改善穩(wěn)定性的隔離器應(yīng)該具有的特性是：(1) 頻帶必須很寬，要能夠覆蓋低噪聲放大器不穩(wěn)定頻率范圍；(2) 反向隔離度并不要求太高；(3) 正向衰減只需保證工作頻帶之內(nèi)有較小衰減，以免影響整機(jī)噪聲系數(shù)，而工作頻帶外，則沒有要求。(4) 隔離器本身端口駐波比要小。3）穩(wěn)定衰減器P型阻性衰減器是一種簡(jiǎn)易可行的改善放大器穩(wěn)定性的措施，通常接在低噪聲放大器末級(jí)輸出口，有時(shí)也可以加在低噪聲放大器內(nèi)的級(jí)間，由于衰減器是阻型衰減，不能加在輸入口或前級(jí)的級(jí)間，以免影響噪聲系數(shù)。在不少情況下，放大器輸出口潛在不穩(wěn)定區(qū)較

12、大，在輸出端加P型阻性衰減器，對(duì)改善穩(wěn)定性相當(dāng)有效。 3.3 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)一般對(duì)于低噪聲放大器采用高Q值的電感完成偏置和匹配功能，由于電阻會(huì)產(chǎn)生附加的熱噪聲，放大器的輸入端應(yīng)盡量避免直接連接到偏置電阻上。用于低噪聲放大器的印制板應(yīng)具有損耗小，易于加工，性質(zhì)穩(wěn)定的特點(diǎn)，材料的物理和電氣性能均勻（特別是介電常數(shù)和厚度），同時(shí)對(duì)材料的表面光潔度有一定要求，通常我們可以采用以FR-4（介電常數(shù)45之間）為基片的板材，如電路要求較高可采用以氧化鋁陶瓷等材料為基片的微波板材，在PCB布板中則要考慮到鄰近相關(guān)電路的影響，注意濾波、接地和外電路干擾問題設(shè)計(jì)中要滿足電磁兼容設(shè)計(jì)原則。4低噪聲放大器仿真設(shè)計(jì)低噪聲

13、放大器的設(shè)計(jì)普遍采用CAD的方法進(jìn)行仿真，國(guó)內(nèi)較流行的有EESOF、MWOffice ADS等軟件，相對(duì)而言Agilent 公司的ADS 功能強(qiáng)大、簡(jiǎn)明直觀應(yīng)用范圍較廣，一體化低噪聲放大器采用了ADS進(jìn)行了仿真，效果良好。5濾波低噪聲放大器研發(fā)低噪聲放大器應(yīng)用于無線數(shù)字圖像傳輸系統(tǒng)中必須解決以下幾個(gè)問題：第一、經(jīng)常面臨近距離發(fā)射，容易損壞低噪聲放大器（設(shè)計(jì)保護(hù)電路）。第二、在300800MHz頻率范圍內(nèi)，繞射能力較強(qiáng)，但干擾也很多（設(shè)計(jì)濾波器）。第三、腔體濾波器體積太大，在低噪聲放大器之前使噪聲系數(shù)變差，在其后饋線供電困難（天線與饋線之間使用方案），并且可靠性降低了（設(shè)計(jì)SMD微波介質(zhì)濾波器）。根據(jù)機(jī)內(nèi)安裝、以及連接在天線與饋線之間使用的不同，設(shè)計(jì)完成了濾波低噪聲放大器。原來腔體濾波器加低噪聲放大器，接收機(jī)靈敏度-92dBm左右，使用了濾波低噪聲放大器（噪聲系數(shù)小于0.6dB）以后，接收機(jī)靈敏度優(yōu)于-98dBm。濾波低噪聲放大器的應(yīng)用，大大加強(qiáng)了