800MHz CDMA低噪聲放大器設(shè)計與仿真

(上饒師范學院 物理與電子信息學院，江西 上饒 334001)

碼分多址(CDMA)是在擴頻通信基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種無線通信技術(shù)。CDMA技術(shù)的基本原理是：將需傳送的具有一定信號帶寬的信息數(shù)據(jù)，用一個帶寬遠大于信號帶寬的高速偽隨機碼進行調(diào)制，使原數(shù)據(jù)信號帶寬被擴展，再經(jīng)載波調(diào)制并發(fā)送出去；接收端使用完全相同的偽隨機碼，與接收的帶寬信號作相關(guān)處理，把寬帶信號換成原信息數(shù)據(jù)的窄帶信號即解擴，以實現(xiàn)信息通信。CDMA具有頻譜利用率高、話音質(zhì)量好、保密性強、掉話率低、電磁輻射小、容量大、覆蓋廣等特點，廣泛應用于800MHz和1.9GHz超高頻(UHF)移動通信系統(tǒng)[1]。

在放大微弱信號的場合，放大器自身的噪聲對信號的干擾可能很嚴重，因此希望減小這種噪聲，以提高輸出信噪比。低噪聲放大器(LNA)，是一種噪聲系數(shù)很低的微弱信號放大器，廣泛應用于無線電接收機的高頻前置放大電路，以及高靈敏度電子探測設(shè)備的放大電路[2]。

本文設(shè)計了一款基于ATF54143晶體管的低噪聲、高增益LNA電路，應用于800MHz CDMA基站接收機前端。在安捷倫公司ADS軟件環(huán)境下，以噪聲系數(shù)、增益、輸入輸出回波損耗、穩(wěn)定系數(shù)等為目標設(shè)計并優(yōu)化了電路，通過S參數(shù)仿真得到的各性能參數(shù)均達到了指標要求。

1 電路設(shè)計與仿真

1.1 器件選擇

根據(jù)800MHz CDMA基站接收鏈路預算，前端低噪聲放大器應達到以下指標：工作頻段內(nèi)，噪聲系數(shù)<0.5dB，增益>16 dB，輸入回波損耗<-10dB，輸出回波損耗<-15dB。

考慮上述要求，選擇Agilent公司的增強型偽高電子遷移率晶體管(E-PHEMT)ATF54143進行LNA設(shè)計。該器件具有低噪聲、高增益、高線性度等特點，適用于450MHz～6GHz頻率范圍內(nèi)的蜂窩/PCS基站、WLAN、無線本地環(huán)路、MMDS等[3]。此外，Agilent公司為該產(chǎn)品提供了精確的小信號器件模型，可直接導入ADS軟件，用于仿真模型的建立。

1.2 偏置條件

根據(jù)DATASHEET可知，ATF54143工作時不需要負的柵極電壓，因此采用單電源供電方式。

另外，設(shè)置VDS=3V、VGS=0.5V、IDS=60mA的直流偏置條件，能夠滿足放大器設(shè)計的要求。

1.3 穩(wěn)定性設(shè)計

晶體管內(nèi)部存在著反饋，反饋量的大小取決于一定的工作頻率和偏置條件下的S參數(shù)。當反饋量達到一定程度時，會引起放大器的輸入阻抗出現(xiàn)負實部(負阻)。這是由正反饋引起的，由振蕩器理論可知，這會引起自激振蕩，使電路處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

因此，在設(shè)計匹配電路前，先要判斷晶體管是否絕對穩(wěn)定。放大器絕對穩(wěn)定的充分必要條件是[4]：

(1)

|△|=|S11S22-S12S21|<1

(2)

(1)、(2)式，經(jīng)推導，可等價于[5]：

(3)

μ對應于ADS軟件中的Mu值。通過S參數(shù)仿真，對器件ATF54143進行穩(wěn)定性分析，得到Mu值曲線如圖1所示。

圖1穩(wěn)定性仿真曲線

由圖1可知，該管在810MHz～850MHz工作頻段內(nèi)Mu值均小于1，所以必須對電路進行穩(wěn)定性設(shè)計?？梢栽诜糯笃鞯妮斎攵舜?lián)電阻，對放大器的輸入阻抗進行補償，使其變?yōu)檎担瑏磉_到改善穩(wěn)定性的目的，但這樣會引入額外的噪聲。綜合考慮，我們這里采用對噪聲系數(shù)犧牲較小的源極負反饋法[6]，就是在源極和地之間串接電感，適當?shù)姆答伩梢缘窒w管內(nèi)部的反饋，達到穩(wěn)定的目的。由于電路工作頻率很高，因此所需電感的值非常微小。實際電路中，我們使用微帶線來代替微小的電感，如圖2所示。其中，TL1、TL2是晶體管源極所串接的兩條微帶線。

圖2源極串接微帶線

在仿真中，改變微帶線尺寸，Mu值也隨之改變。優(yōu)化微帶線尺寸時需注意，Mu值不可過高，否則會犧牲放大器增益。此外，發(fā)現(xiàn)無論如何優(yōu)化微帶線尺寸，只能實現(xiàn)放大器在工作頻段內(nèi)的絕對穩(wěn)定，而不能消除帶外的不穩(wěn)定。針對該問題，可在放大器輸出端串接小電阻(見后文圖4)加以解決。

優(yōu)化后的微帶線尺寸為：寬度=0.446mm、長度=55mil。此時，如圖3所示，放大器在寬頻帶范圍內(nèi)Mu值均大于1，達到了絕對穩(wěn)定：810MHz～850MHz工作頻段內(nèi)Mu值為3.460～3.485，0～6GHz頻帶范圍內(nèi)Mu值最小值為1.208。

圖3添加穩(wěn)定性電路后的仿真曲線

1.4 匹配電路設(shè)計

在設(shè)計放大器時，一般有兩種原則：一是以達最小噪聲系數(shù)為目標的最佳噪聲匹配法[7]；二是以達最大功率增益為目標的共軛匹配法[7]。下面我們分別加以介紹。

1.4.1 最佳噪聲匹配法

放大器的噪聲系數(shù)表達式為：

(4)

式中，Γs為源反射系數(shù)，Γmin為最小噪聲系數(shù)，Rn為等效噪聲電阻、Γopt為最佳源反射系數(shù)。Γmin、Rn、Γopt統(tǒng)稱為噪聲參數(shù)，晶體管出廠時，這三個參數(shù)值便確定下來。

由上式可知，調(diào)節(jié)Γs，噪聲系數(shù)隨之變化。當Γs=Γopt時，F(xiàn)=Fmin，獲得最佳噪聲匹配。

1.4.2 共軛匹配法

單向傳輸晶體管(S12≈0)構(gòu)成的放大器變換功率增益表達式為：

(5)

式中，ΓS是源反射系數(shù)，ΓL是負載反射系數(shù)，S11是輸入端反射系數(shù)，S22是輸出端反射系數(shù)，S21是輸入向輸出的正向傳輸系數(shù)。

由上式可推導出，當晶體管與輸入、輸出網(wǎng)絡(luò)間達共軛匹配時，即Γs=S11*、ΓL=S22*時，變換功率增益達最大值，表示為：

(6)

1.4.3 仿真設(shè)計

綜合考慮最佳噪聲匹配法和共軛匹配法，提出了新的設(shè)計原則，具體是：輸入匹配的設(shè)計應使放大器的工作狀態(tài)接近最佳噪聲匹配，同時兼顧放大器增益；為獲得最大功率增益，輸出匹配采用共軛匹配法來設(shè)計。

基于以上原則，在ADS軟件環(huán)境下，以噪聲系數(shù)、增益、輸入輸出回波損耗等為目標設(shè)計并優(yōu)化了電路，得到匹配電路仿真原理圖如圖4所示。

圖4中，輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)由串聯(lián)或并聯(lián)的電容、電感、電阻及微帶線組成。值得一提的是，晶體管柵極、漏極直流偏置網(wǎng)絡(luò)中的射頻扼流圈L3=16nH、L4=22nH，也參與了匹配。此外，為消除放大器帶外的不穩(wěn)定，實現(xiàn)0～6GHz寬頻帶范圍內(nèi)的穩(wěn)定性,輸出匹配網(wǎng)絡(luò)中串接了10歐姆的穩(wěn)定電阻。

圖4匹配電路仿真原理圖

2 仿真結(jié)果

通過S參數(shù)仿真,得到的仿真曲線如圖5所示。由圖5可知，在工作頻段內(nèi)，噪聲系數(shù)nf(2)最小值為0.224dB，最大值為0.228dB，達到了較好的指標；增益S21最小值為17.694dB，最大值為18.116dB，帶內(nèi)增益波動小于0.5dB,表明增益較平坦，保證了放大器的放大效果；輸入回波損耗S11<-15dB,輸出回波損耗S22<-17dB,表明放大器輸入輸出匹配良好。

圖5噪聲系數(shù)、S參數(shù)仿真曲線

3 結(jié)論

本文設(shè)計了一款800MHz頻段的高增益、低噪聲放大器。采用單電源供電方式, 靜態(tài)工作點選取3V、60mA；穩(wěn)定性設(shè)計采用源極串接微帶線和輸出端串接小電阻相結(jié)合的辦法，以實現(xiàn)放大器在0～6GHz寬頻帶范圍內(nèi)的絕對穩(wěn)定；輸入匹配設(shè)計采用最佳噪聲匹配法，以實現(xiàn)放大器工作在接近最佳噪聲匹配的狀態(tài)，獲得較小噪聲系數(shù)的同時，兼顧放大器增益；輸出匹配設(shè)計采用共軛匹配法，以實現(xiàn)最大功率增益。在ADS軟件環(huán)境下，以噪聲系數(shù)、增益、輸入輸出回波損耗、穩(wěn)定系數(shù)等為目標設(shè)計并優(yōu)化了電路，通過S參數(shù)仿真得到各項性能參數(shù)為：在工作頻段內(nèi)，噪聲系數(shù)nf(2)<0.3dB；增益S21>17dB，帶內(nèi)增益波動小于0.5dB；輸入回波損耗S11<-15dB,輸出回波損耗S22<-17dB。結(jié)果表明，該設(shè)計完全滿足指標要求，可以應用于800MHz CDMA基站接收機前端。

參考文獻：

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[2] Guillermo G.微波晶體管放大器分析與設(shè)計[M]. 白曉東(譯).北京:清華大學出版社,2003.

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[6] Agilent Technologies. A low noise high intercept point amplifier for 900MHz Applications using ATF-54143 PHEMT[Z]. 2006, 23(6): 5988-6670EN.

[7] 陳邦媛.射頻通信電路[M].北京:科學出版社,2006.