基于A(yíng)TF54143的微波LNA設計與實(shí)現

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，其性能指標為：噪聲系數1dB，增益>13dB，輸入輸出駐波比2，基本上達到了預期的效果。設計過(guò)程分為四步。第一步是在明確放大器的性能指標后選擇晶體管，然后進(jìn)行直流偏置電路的設計。第二步是放大器的穩定性分析與設計。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來(lái)匹配網(wǎng)絡(luò )，輸出匹配電路以最大增益來(lái)匹配網(wǎng)絡(luò )。第四步就是電路設計完成之后進(jìn)行電路的優(yōu)化和改進(jìn)，以達到放大器的設計目標。最后是畫(huà)原理圖和采用Altium Design軟件完成電路的PCB版圖制作、電路調試以及實(shí)物制作。

0 引言

隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，人們對無(wú)線(xiàn)系統的射頻接收機提出了越來(lái)越高的要求，如低功耗、低噪聲等。因此，處于射頻接收系統最前端的LNA(LNA)對于提高系統性能起到了關(guān)鍵作用，其性能指標的好壞對接收機整體性能有很大的影響。

LNA主要對天線(xiàn)接收來(lái)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準，這意味著(zhù)LNA必須有低噪聲特點(diǎn)，弱信號才不會(huì )被噪聲所淹沒(méi);其次LNA還要有高增益特點(diǎn)，輸出才能驅動(dòng)后級電路，也為了抑制后面各級電路噪聲對整個(gè)系統的影響。

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

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，其性能指標為：噪聲系數1dB，增益>13dB，輸入輸出駐波比2，并做出實(shí)物以及通過(guò)測試基本上達到了預期的效果。

1 微波LNA設計

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

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

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


圖1 LAN基本電路原理圖

接著(zhù)要對電路進(jìn)行穩定性分析。為了保證系統穩定，常用的方法是添加負反饋，所以在A(yíng)TF54143的兩個(gè)源級(S級)兩端添加小電感作為負反饋。通過(guò)調節反饋電感值，使其在整個(gè)工作頻率范圍內穩定，得到L值為0.3nH，仿真結果如圖2所示。

圖2 添加反饋電感后穩定系數曲線(xiàn)


圖3 增益圖和噪聲圖

從圖中可知添加反饋電感為0.3nH后，穩定系數在2.4G時(shí)為1.003>1，此時(shí)可以判定為放大器工作穩定。

然后進(jìn)行噪聲系數分析，畫(huà)出噪聲系數圓和增益圓的Smith圓圖，如圖3所示。

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

接著(zhù)進(jìn)行輸入輸出阻抗匹配。由于噪聲系數最小值和最大增益不重合，在設計輸入阻抗時(shí)第一級往往按最小噪聲系數來(lái)設定。從噪聲圓圖中可以看出最小噪聲系數時(shí)輸入阻抗為22.925-i*11.346，為了達到最小噪聲系數，在晶體管的輸入端需要滿(mǎn)足最佳源反射系數Γout的要求，而整個(gè)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 )達到Z0到22.925-i*11.346的變化。最后得到輸入匹配后的仿真結果，如圖4所示。

圖4 輸入匹配后仿真結果

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

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(huì )影響到輸入阻抗，所以當設計好輸出匹配后輸入匹配會(huì )有所偏離，此時(shí)需要通過(guò)Tuning優(yōu)化工具進(jìn)行優(yōu)化以達到最佳參數。在優(yōu)化前先將電路中的微帶線(xiàn)實(shí)際添加到電路。在原理圖中把計算出的實(shí)際長(cháng)度代替理想微帶線(xiàn)，同時(shí)在電源端添加幾個(gè)分立電容濾波，電源口開(kāi)始加入3個(gè)電容，分別是1 μF、0.01 μF、10pF。經(jīng)過(guò)Tuning工具進(jìn)行最后的優(yōu)化，經(jīng)過(guò)擇優(yōu)確定最后的參數。得到最終的仿真結果如圖5所示。

圖5 經(jīng)過(guò)優(yōu)化的最終仿真結果