基于ATF54143的微波LNA設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

摘要：本論文采用ADS2011仿真軟件，使用Avago公司的ATF54143晶體管作為主要器件，設(shè)計了頻率范圍為2.35～2.45GHz、中心頻率為2.4GHz的LNA，其性能指標(biāo)為：噪聲系數(shù)<1dB，增益>13dB，輸入輸出駐波比<2，基本上達(dá)到了預(yù)期的效果。設(shè)計過程分為四步。第一步是在明確放大器的性能指標(biāo)后選擇晶體管，然后進(jìn)行直流偏置電路的設(shè)計。第二步是放大器的穩(wěn)定性分析與設(shè)計。第三步就是放大器電路的輸入和輸出匹配。輸入匹配電路以最小噪聲系數(shù)來匹配網(wǎng)絡(luò)，輸出匹配電路以最大增益來匹配網(wǎng)絡(luò)。第四步就是電路設(shè)計完成之后進(jìn)行電路的優(yōu)化和改進(jìn)，以達(dá)到放大器的設(shè)計目標(biāo)。最后是畫原理圖和采用Altium Design軟件完成電路的PCB版圖制作、電路調(diào)試以及實(shí)物制作。

0 引言

隨著無線通信業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，人們對無線系統(tǒng)的射頻接收機(jī)提出了越來越高的要求，如低功耗、低噪聲等。因此，處于射頻接收系統(tǒng)最前端的LNA(LNA)對于提高系統(tǒng)性能起到了關(guān)鍵作用，其性能指標(biāo)的好壞對接收機(jī)整體性能有很大的影響。

LNA主要對天線接收來的弱信號進(jìn)行放大，并且要把功率電平增加到后級所需要的標(biāo)準(zhǔn)，這意味著LNA必須有低噪聲特點(diǎn)，弱信號才不會被噪聲所淹沒;其次LNA還要有高增益特點(diǎn)，輸出才能驅(qū)動后級電路，也為了抑制后面各級電路噪聲對整個系統(tǒng)的影響。

另一方面，LNA一般是通過傳輸線和天線相連，放大器必須與之有良好的阻抗匹配，以達(dá)到最大的傳輸功率和最小的噪聲系數(shù)。但往往微波放大器的最大增益和最小噪聲系數(shù)不能同時擁有，這需要設(shè)計者在最大增益和最小噪聲系數(shù)之間權(quán)衡。

本論文采用ADS2011仿真軟件，使用Avago公司的ATF54143晶體管作為主要器件，設(shè)計了一款頻率范圍為2.35～2.45GHz、中心頻率為2.4GHz的LNA，其性能指標(biāo)為：噪聲系數(shù)<1dB，增益>13dB，輸入輸出駐波比<2，并做出實(shí)物以及通過測試基本上達(dá)到了預(yù)期的效果。

1 微波LNA設(shè)計

本設(shè)計采用Avago公司的高電子遷移率晶體管(PHEMT)ATF54143芯片進(jìn)行LNA設(shè)計。本設(shè)計采用安捷倫(Agilent)公司開發(fā)的ADS(Advanced Design System)2011完成設(shè)計仿真。完成該放大器設(shè)計，需要以下幾個步驟：下載安裝相應(yīng)的元件庫;直流偏置設(shè)計;穩(wěn)定性分析;噪聲系數(shù)分析;輸入、輸出匹配;參數(shù)優(yōu)化。

ATF54143芯片具有高增益、高線性度以及低噪聲的特性，適用于450MHz～6GHz頻段無線系統(tǒng)的LNA電路中。ATF54143在工作頻率為2.4 GHz、電壓在3V、電流為40mA時，最小噪聲為0.51dB，最大增益為16dB。

設(shè)計一個LNA第一步是確定晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)。按設(shè)計出的偏置電路添加元件并設(shè)計相應(yīng)參數(shù)，得到LNA基本電路原理圖，如圖1所示。

接著要對電路進(jìn)行穩(wěn)定性分析。為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定，常用的方法是添加負(fù)反饋，所以在ATF54143的兩個源級(S級)兩端添加小電感作為負(fù)反饋。通過調(diào)節(jié)反饋電感值，使其在整個工作頻率范圍內(nèi)穩(wěn)定，得到L值為0.3nH，仿真結(jié)果如圖2所示。

從圖中可知添加反饋電感為0.3nH后，穩(wěn)定系數(shù)在2.4G時為1.003>1，此時可以判定為放大器工作穩(wěn)定。

然后進(jìn)行噪聲系數(shù)分析，畫出噪聲系數(shù)圓和增益圓的Smith圓圖，如圖3所示。

從圖中可以看出放大器的噪聲系數(shù)最小值和最大增益不重合，最小噪聲系數(shù)為0.445dB，最大增益為16.283dB。

接著進(jìn)行輸入輸出阻抗匹配。由于噪聲系數(shù)最小值和最大增益不重合，在設(shè)計輸入阻抗時第一級往往按最小噪聲系數(shù)來設(shè)定。從噪聲圓圖中可以看出最小噪聲系數(shù)時輸入阻抗為22.925-i*11.346，為了達(dá)到最小噪聲系數(shù)，在晶體管的輸入端需要滿足最佳源反射系數(shù)Γout的要求，而整個電路的輸入阻抗為Z0=50 Ω，所以需要添加輸入匹配網(wǎng)絡(luò)達(dá)到Z0到22.925-i*11.346的變化。最后得到輸入匹配后的仿真結(jié)果，如圖4所示。

從圖4中可以看出輸入噪聲系數(shù)達(dá)到了最小值。說明此時電路輸入端匹配很好。輸出匹配最終目的是盡可能達(dá)到最大的增益。

需要注意的是由于放大器屬于二端口網(wǎng)絡(luò)，輸出阻抗會影響到輸入阻抗，所以當(dāng)設(shè)計好輸出匹配后輸入匹配會有所偏離，此時需要通過Tuning優(yōu)化工具進(jìn)行優(yōu)化以達(dá)到最佳參數(shù)。在優(yōu)化前先將電路中的微帶線實(shí)際添加到電路。在原理圖中把計算出的實(shí)際長度代替理想微帶線，同時在電源端添加幾個分立電容濾波，電源口開始加入3個電容，分別是1 μF、0.01 μF、10pF。經(jīng)過Tuning工具進(jìn)行最后的優(yōu)化，經(jīng)過擇優(yōu)確定最后的參數(shù)。得到最終的仿真結(jié)果如圖5所示。

綜合以上各圖可知，在2.35～2.45GHz范圍內(nèi)，S21的值在16.22到15.98dB之間，S11和S22的值均小于-10dB，因此增益符合技術(shù)指標(biāo)要求。輸入輸出駐波比分別在1.36到1.40和1.38到1.54之間，基本符合技術(shù)指標(biāo)要求。穩(wěn)定性因子大于1，絕對穩(wěn)定，噪聲系數(shù)小于1，符合技術(shù)指標(biāo)要求。根據(jù)原理圖優(yōu)化后的結(jié)果可知各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求。

2 LNA的實(shí)現(xiàn)和測試結(jié)果

根據(jù)仿真結(jié)果選擇并且擺放元器件，由于輸入輸出端用到了傳輸線匹配網(wǎng)絡(luò)，在畫時要考慮到線的寬度和長度。還有ATF54143本身不穩(wěn)定，需要在S級處添加一小段傳輸線以保證系統(tǒng)穩(wěn)定，具體參數(shù)在前面的仿真中已經(jīng)確定。為了保證接地面的等勢性，在電路板上需要大面積敷銅并在敷銅上加入多個過孔。再者由于在微波段過孔會產(chǎn)生大量寄生電容、電感影響，所以所涉及的元器件都采用貼片封裝形式。為了避免信號傳輸線上因?yàn)檫^孔產(chǎn)生影響，輸入輸出使用的SMA射頻連接器接口直接焊接在一小段線上連入電路避免使用過孔。本設(shè)計電路中的電容和電感不使用ADS自帶的理想元器件，而采用村田公司(MuRata)的相關(guān)器件。ATF54143使用SOT封裝。繪制的版圖如圖6所示。

實(shí)物圖如圖7所示。

本文設(shè)計的LNA的主要測試指標(biāo)有：增益、噪聲、駐波比。本次完成測試的有增益及駐波比，使用的儀器有：HD6618綜合測試儀、NDY網(wǎng)絡(luò)分析儀、穩(wěn)壓電源。

增益及駐波比測量結(jié)果如表1所示：

經(jīng)過以上測試表明基本指標(biāo)達(dá)到要求，增益在頻率范圍2.35～2.45GHz內(nèi)為13.2～15.11dB，駐波比在2.35～2.45GHz內(nèi)為1.105～2.3，中心頻率2.4GHz為1.78，小于2。

3 結(jié)束語

現(xiàn)代社會對低成本以及高性能無線通信產(chǎn)品的需求大大推進(jìn)了射頻集成電路的發(fā)展，使得射頻電路設(shè)計成為人們研究的熱點(diǎn)。微波LNA是接收機(jī)的關(guān)鍵部件。因此提高前端LNA的性能對改善整個接收機(jī)的靈敏度具有重要意義。

在這種背景下，本文設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了基于ATF54143芯片的單級LNA，其主要運(yùn)用于工作頻率在世界公用無線頻段2.4GHz的射頻接收機(jī)的前端。采用ADS2011仿真軟件，設(shè)計了頻率范圍為2.35～2.45GHz、中心頻率為2.4GHz的LNA，其性能指標(biāo)為：噪聲系數(shù)<1dB，增益>13dB，輸入輸出駐波比<2，基本上達(dá)到了預(yù)期的效果。