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关于无线信号传输距离和衰减问题
&&关于无线信号传输距离和衰减问题的分析与认识
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32频道 5.8G 600MW FPV无线 图传系统RC832 TS832
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发射端TS832参数
兼容老款8通接收机
发射频率: 5.8G
发射功率: 600mw
发射频点: 32点
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天线接头: 发射模块端 RP-SMA jack 天线端 RP-SMA plus
天线增益: 2db
工作电流: 220mA /12V
工作温度: -10-85 ℃
视频制式: NTSC/PAL 自动
视频带宽: 8M
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发射净重: 22g
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兼容老款8通发射机
工作频率: 5.8GHz
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天线阻抗: 50Ω
天线接头: 接收和发射模块端 RP-SMA jack 天线端 RP-SMA plus
天线增益: 2db
视频阻抗: 75Ω
视频制式: NTSC/PAL 自动
外形尺寸: 80*65*15mm
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徐志亮先生（销售部
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0.97dB5.8GHz CMOS全集成低噪声放大器设计
0.97dB/5.8GHz CMOS 全集成低噪声放大器设计姓名：XXXX 学号：XXXXXX摘要:采用 TSMC 0.18um RF 工艺，提出了一个可支持 IEEE 802.11a 无线局域网标准的 5.8GHz CMOS 低噪 声放大器。通过利用共源共栅结构和功耗受限下噪声和阻抗同步匹配技术（PCSNIM） ，在中心频率处所提 出的低噪放大器的噪声系数 （NF） 只有 0.972dB。 仿真结果表明： 在 1.8V 供电电压下 LNA 的功耗为 6.4mW， 增益 S 21 可达 17.04dB，输入 1dB 压缩点（P1dB）约为-21.19dBm。 关键词：低噪声放大器；噪声系数；功耗Design of a 0.72dB, 5.8GHz fully integrated CMOS low noise amplifierCEN Mingcan, SONG Shuxiang （Guangxi Normal University, College of Electronic Engineering，Guangxi Guilin 541004） Abstract: A 5.8 GHz CMOS low noise amplifier(LNA) was proposed for the IEEE 802.11a wireless localarea network(WLAN) standards using a TSMC 0.18um RF process. By using the cascode structure andpower-constrained simultaneous noise and input matching technique (PCSNIM), the noise figure (NF) of the proposed LNA at the central frequency is only 0.972dB.The simulations demonstrate that the LNA has a power consumption of 6.4mW, a gain of 17.04dB, and an input 1-dB compression point (P1dB) about -21.19dBm while at 1.8V supply voltage. Key words: L N Power consumption引言近年来，射频和微波电子工业发展的主要趋势是：通信市场爆炸性增长、应用频率迅速 上升以及在微波领域硅基加工方法的使用[1]。一方面，高速（可达 54Mb/s）无线局域网的广泛应用， 使得以手机为代表的各种无线便携式电子设备迅速发展， 市场上对工作在更高频 带、更快传输速率以及更宽带宽的 RFIC 需求量也急剧上升，另一方面，也促使了 IC 设计 者在有限的工作电压和芯片面积下发展性能更优良的电路。 在 IEEE 推出的 802.11a、 802.11n 以及 U-NII 等工业标准中，都要求无线接受机具备大约 5.5GHz 的中心频率[2]。低噪声放大 器作为无线接收机的前端关键模块， 用来放大接收端天线获得的微弱信号， 并且要求其自身 引入很小的噪声，其性能的好坏将对接收机系统的整体性能产生决定性的影响。 目前，在 LNA 设计中面临的一个主要挑战是实现在任意给定的功耗条件下噪声和输入 阻抗同步匹配[3]。PCSNIM 技术[4] 由于融合了 SNIM，CNM 等技术的优点，能在保持输入阻抗匹配的同时，使系统获得的噪声系数也十分接近最小噪声系数（ NFmin ） ，从而实现噪 声与阻抗的同步匹配，因此在窄带 LNA 设计中具有很大的优势。本文以此为基础，设计了 一个针对 IEEE802.11a 无线局域网标准的 5.8GHz 噪声和阻抗同步匹配的低噪声放大器。*基金项目：国家自然科学基金（）1 LNA 电路设计带有源极负反馈的 Cascode 结构是目前 LNA 设计中最常见的结构，该结构不仅具有噪 声较低、阻抗匹配性好的优点，而且能减小米勒效应，提高反向隔离度。但它的缺陷在于功 耗受限下不能满足噪声和阻抗同步匹配， 为此可在 Cascode 结构中的共源管处添加额外的电 容 C ex [4]，通过增加一个可调节的自由度来解决系统噪声和阻抗同步的问题。本文结合该结 构，经过优化和改进后，所设计的 LNA 完整电路如图 1 所示。VDD VDDL2C3RFoutM4M2C2M3R biasC4L1RFinC1LgM1CexLs图1 Fig.1 完整的 LNA 电路图Complete schematic of the LNACascode 晶体管 M 1 、 M 2 之间插入了电感 L1 和电容 C 4 用于级间匹配，可以提高 LNA 电路的增益和噪声性能。电阻 Rbias 与晶体管 M 3 、 M 4 构成偏置电路为电路提供偏置， Rbias 的值通常为 2~4 k? ，用来避免信号通路受到偏置电路的影响和减小 M 3 管栅源之间的电容C1 是隔直电容， 效应。 晶体管 M 1 、M 3 形成电流镜结构， 决定了放大电路电流功耗的大小。通常达几个 pF ，用来抑制高频信号对电路工作点的影响。 Lg 、 Ls 和 C ex 实现输入阻抗匹 配， L2 ， C3 构成输出阻抗匹配网络。2 电路性能分析2.1 输入匹配 LNA 的简化结构如图 2 所示，对应的小信号噪声模型如图 3 所示。为了简要分析，在 电路的输入阻抗计算中忽略电感 Ls 的寄生电阻和晶体管 M 1 的栅极电阻。 根据 KVL， 可得：v x ? v gs1 ? v Lg ? v Ls ? i x (1 j? (c gs1 ? cex )? j?Lg ) ? j?Ls (i x ? g m1v gs1 )(1)ioutVbiasLgM2i x LgM1+RsVinVgs1CexCgs1RsCexgm1Vgs1LsVinLs图2 LNA 简化结构 图3图 2 对应的小信号简化模型Fig.2Simplified structure of the LNAFig.3 Small signal equivalent circuit of Fig.2故输入阻抗为：Z in ?vx g m1 1 ? j? ( Lg ? Ls ) ? ? Ls ix j? (c gs1 ? cex ) c gs1 ? cex(2)式中， c gs1 、 g m1 分别是晶体管 M 1 的栅源电容和跨导。为了能在谐振频率 ?0 处实现最 大功率传输，输入阻抗 Z in 的实部要与信号源阻抗 Rs （通常为 50 ? ）相等，并且虚部为 0。 这里虚部可以通过 (cgs1 ? cex ) 和 ( Lg ? Ls ) 在工作频率 5.8GHz 处发生谐振时抵消，即：Re [ zin ] ? g m1 Ls /(cgs1 ? cex ) ? Rs（3）I m [ zin ] ? j?0 ( Lg ? Ls ) ? Qin ? 输入回路的品质因数：1 j?0 (cgs1 ? cex )?0（4）1 ?0 (c gs1 ? cex ) Rs（5）在实际电路中，确定晶体管尺寸后通过调节 Lg 、 C ex 的值就能获得输入阻抗匹配，不 需要添加片外的匹配电路， 这可以减少噪声的引入， 并且减小芯片的尺寸。 这里经优化后 Lg 、C ex 取值分为 0.458nH 和 0.069 pF 。2.2 稳定性分析 若放大器的输入或输出阻抗出现负实部， 放大器就可能发生自激导致振荡而不能正常工 作，因此为了保证放大器正常稳定工作，通常需要 LNA 满足无条件稳定的条件，即[6]：K?1 ? ? ? S11 ? S 22 2 S 21 S12222?1(6)? ? S11 S 22 ? S12 S 21 ? 1(7)满足上述条件时，放大器将工作在无条件稳定状态,即对任意的源阻抗和负载阻抗，放 大器都能保持正常稳定工作。 若放大器不稳定， 通常可以在输出端的晶体管漏极处串联或并 联电阻，以抵消由自激振荡产生的负阻抗,从而提高放大器的稳定性。2.3 最佳噪声性能分析 图 4 为简化的 LNA 小信号等效噪声模型， 其中, i ng 是晶体管引入的栅极感应噪声电流,2 i nd 是包含热噪声和闪烁噪声在内的栅极感应噪声电流。由于推导 LNA 完整的噪声系数表达2式过程非常复杂，而且不利于设计参数的选择，如栅宽、晶体管偏置电压等。因此,在忽略 共栅管 M 2 的噪声和假设输入匹配的条件下，可得图 1 所示电路的噪声参数如下[4,5]。LgRsRg2 ingioutCex Cgs1gm1Vgs12 i ndVinLs图4 Fig.4 输入级小信号噪声等效电路The small signal noise equivalent circuit of the input stage电路的噪声系数： F ? 1 ?Rg Rs?? ? ?g m Rs ( 0 ) 2 ? ?T(8)其中,? ? 1 ? 2 c Qin? 2? eff ? 2? eff 2 ? (1 ? Qin ) 5? 5?2 2 i ng 和 i nd 的值分别为：i此时的最佳噪声阻抗：?Z opt ?2 ng? 4kT??eff? 2 ct25g d 02 ?f ； ind ? 4kT?g d 0 ?f? eff5? (1 ? c ) ? ? ? ? eff2 2? j( ?(? eff ct ?? c ) c gs 5??c gs ?? ? 5? (1 ? c )2 22? eff 2 ? ct ? ?? c ) ? c gs 5? ? ?? sLs（9）其中， ? eff ? ? (cgs / ct ) ， ct ? c gs ? cex ， g d 0 、 g m1 分别是 M 1 在 vds ? 0 时的漏电导? 是栅极噪声系数， 和 M 1 的跨导， c 是栅极感应噪声和漏极沟道噪声之间引起的相关系数，? 是漏极噪声系数。等式(8)中第二项是由栅极寄生电阻引起的噪声，可以通过在版图技术中增加栅指数使 其尽可能减小，此时的噪声系数将主要由第三项决定。注意到若最佳 Qin 值确定，则其它参 数如 g m1 、 f T 等都可以计算确定，而此时获得的噪声系数 F 将是最小的。这是由于输入晶 体管的栅极噪声和沟道噪声与 Qin 成反比，随着 Qin 增加，在某个时候 i nd 将在噪声系数 F 中起决定性作用[5]2。而 C ex 的引入增加了对 Qin 的控制，这一方面能有效地降低噪声系数，另一方面可以缓解噪声与功耗的矛盾并实现噪声和阻抗同步匹配。 因为根据经典的二端口网络噪声理论可以知道，若要满足输入阻抗和噪声同时匹配，则需满足： Z opt ? Z in 。结合式 (2-5)和式(8-9)可以看到，只要适当的设计电路参数：如偏置电压 v gs 、晶体管的尺寸 W（或 者 c gs ） 、电感 Lg ，以及电容 C ex ，可以满足在任意功耗下噪声和输入阻抗同时匹配。 研究中发现在调节噪声与输入阻抗同时匹配过程中， 电路参数的选择要兼顾整体的增益 和噪声性能，这是由于 C ex 过大会使得 C ex 和 M 1 构成的复合管的有效制止频率 f T 减小?( f T ? g m1 /(cgs ? cex )) ，这会导致噪声和增益恶化。图 5-6 给出了不同 C ex 取值分别与噪声和增益的关系。图5 Fig.5电容 C ex 与噪声 NF 关系图 6 电容 C ex 与增益 S 21 关系 Fig.6 The relationship between the capacitanceThe relationship between the capacitance C ex and the noise NFC ex and tthe gain S 213LNA 仿真结果与分析LNA 电路设计采用了 TSMC 0.18um RF 工艺，并在 Cadence 公司的 Spectre RF 仿真器下进行各项性能验证。晶体管 M 1 和 M 2 栅宽 W 设为 134.9um ，栅长 L 取最小沟道长度 0.18um；所有电感均采用片上螺旋电感； M 1 管过驱动电压为 81mV；在工作电压 1.8V 下包 括偏置电路在内的整个电路功耗为 6.4mW。图 7-图 10 给出了 LNA 的 S 参数、噪声系数等 指标的仿真结果。 ① 噪声分析：图 7 为噪声系数仿真曲线图。图中 NFmin 是该低噪声放大器能获得的最 小噪声系数，NF 表示经过噪声匹配后获得的最终噪声值。从该图可以看出，在 IEEE802.11a 的 5.725-5.825GHz 频段，噪声系数均小于 1dB，在中心频率 5.8GHz 处整个系统的噪声值很 小为 971.9mdB，与 NFmin =950.6mdB 相比十分接近，说明设计的 LNA 具有优越的噪声性 能。 ② S-参数仿真分析：图 8 为 S-参数仿真结果。从图中可以看出，LNA 在 5.8GHz 工作 频率处，功率增益 S 21 达 17.04dB，反向隔离度 S12 为-28.3dB，输入反射系数 S11 和输出反 射系数为 S 22 分别为-17.46dB 和-20.4dB，说明电路整体性能良好。 ③ 线性度： 图 9 为电路的 1dB 压缩点曲线。 从图中可知， 电路的输入 1dB 压缩点 ( IP1dB) 约为-21.187dBm，说明电路接收信号的质量良好。 ④ 稳定性：图 10 为放大器稳定性仿真结果。从图中可以看到，放大器的稳定因子 K f在 3-8GHz 的频带范围内始终大于 1， B1 f 因子始终大于 0。仿真结果表明所设计的 LNA 满 足无条件稳定工作要求。 为了能更清晰的表明本文所提出的 LNA 电路的性能优势，表 1 给出了本文与近年来已 发表的一些 LNA 的性能比较，从中可以看到本文的设计在改善功耗和噪声性能方面有比较 大的优势。图7 Fig.7LNA 噪声系数仿真结果图8 Fig.8LNA S-参数仿真 Simulated S-parameters of LNASimulation result of the LNA noise figure图9 Fig.91dB 压缩点 1dB-compression point Table.1图 10 Fig.10LNA 稳定性仿真结果Simulation result of the LNA stability表 1 本文与最近发表的一些 LNA 性能的比较 Comparison between this work and other published LNA参数工艺/um频率/GHz NF/dB 5.745 5.8 5.48 2.0 1.23 1.91 2.3 0.972功耗/mW S11/dB S22/ dB S21/dB 6.125 16 18.7 17 &15 6.4 -17.3 &-10 -33.1 -16 &-18 -17.46 -5.3 -11 -45.7 -18 &-11 -20.4 24.6 14.1 21.3 16 16.97 17.04IP1dB/dBm 0 -23.0 -15.3 -23.33 -21.19文献[7] CMOS0.25 文献[8] CMOS0.18文献[9] 稳茂 0.15pHEMT 5.8 文献[10] CMOS0.18 文献[11] CMOS0.18 本文 CMOS0.18 5.8 5.8 5.83 结论本 文 根 据 对 主 流 LNA 设 计 技 术 的 分 析 和 研 究 ， 设 计 和 仿 真 了 一 个 5.8GHz 在 5.25-5.825GHz 频率带宽范围内噪声系数都小于 1dB 的全集低噪放放大器。在功耗受限下， 通过对 LNA 进行噪声优化，改善了 LNA 的噪声性能，同时也降低了电路的功耗。模拟结 果表明：所设计的 LNA 在中心频率 5.8GHz 处的各个指标达到了很好的兼顾，具备了较高 的增益、较低的功耗和较优越的噪声性能，以及良好的输入输出匹配特性，为后续的窄带低 噪声放大器设计提供了一定的借鉴。参考文献：[1] POURAKBAR M, LANGARI P, DOUSTI M, et al. A 1.2-V Single-Stage, SiGe BiCMOS Low-Noise Amplifier at 5.8GHz for Wireless Applications[C] // Information and Communication Technologies: From Theory to Applications. Damascus, Syria. . [2] SIROOS Toofan, Adib Abrishamifar, Abdolreza Rahmati, et al. A 5.5-GHz 3mW LNA and Inductive degenerative CMOS LNA noise figure calculation[C] // Microelectronics, 2008. Sharjah, UAE.2. [3] MCPARTLIN M J, MASSE C, VAILLANCOURT W, et al. A 5 GHz 0.95 dB NF Highly Linear Cascode Floating-Body LNA in 180 nm SOI CMOS Technology[J]. IEEE microwave and wireless components letters, ): 200-202. [4] NGUYEN T-K, KIM C-H, IHM G-J, et al.CMOS Low-Noise Amplifier Design Optimization Techniques[J]. IEEE Transactions on microwave theory and techniques, ): . [5] KIM B-K, Donggu Im, Jaeyoung Choi, et al. A Low Noise Amplifier Simultaneously Achieving Input Impedance and Minimum Noise Matching[C] // Radio Frequency Integrated Circuits Symposium. Baltimore, MD. . [6] CHIU H-W, LU S-S, LIN Y-S. A fully integrated CMOS low noise amplifier for IEEE 802.11a standard applications[C] // Electrical Engineering. Tehran, Iran. ] SALAMA M K, SOLIMAN A M. 0.7V, 5.745GHz CMOS RF low noise amplifier for IEEE 802.11a wireless LAN[J]. AEUCInt. J. of Electronics and Communications.):29-35. [8] ZHU S H, GUO C, FENG K, et al. A 5.8 GHz CMOS low noise amplifier for Electronic Toll Collection System[C] // Microwave and Millimeter Wave Technology. Shenzhen, China. . [9] 邓 明 , 黄 世 震 ． 5.8GHz WiMAX 低 噪 声 放 大 器 设 计 与 仿 真 [J]. 电 子 器 件 ， ):411-414. [10] 艾学松,孙玲,施纾τ糜 DSRC 系统的 5.8GHz CMOS LNA 设计[J].电路与系统学 报,):134-138. [11] 杨渡，周盛华,王科平,等. 应用于 802.1la 的 5.8GHz CMOS LNA 设计[J].长春理工 大学学报(自然科学版),):91-93．
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