基于ATF54143雙平衡低噪聲放大器的設(shè)計(jì)

楊睿

（同濟(jì)大學(xué)電信工程學(xué)院，上海201804）

基于ATF54143雙平衡低噪聲放大器的設(shè)計(jì)

楊睿

（同濟(jì)大學(xué)電信工程學(xué)院，上海201804）

低噪聲放大器的增益和噪聲系數(shù)直接存在著矛盾，本文采用安捷倫公司的ATF54143晶體管設(shè)計(jì)出一款工作于870～880 MHz的雙平衡低噪聲放大器。設(shè)計(jì)采用從自頂?shù)降椎脑O(shè)計(jì)方式展開設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了分塊功能驗(yàn)證。通過加入π型衰減器和雙平衡電路，并使用ADS軟件進(jìn)行匹配仿真，結(jié)果滿足要求，達(dá)到了低噪聲系數(shù)與高增益的要求。關(guān)鍵詞：ATF54143；雙平衡放大器；高增益系數(shù)；π型衰減器

低噪聲微波放大器已廣泛應(yīng)用于微波通信、GPS接收機(jī)、遙感遙控、雷達(dá)、電子對(duì)抗、射電天文、大地測(cè)繪、電視及各種高精度的微波測(cè)量系統(tǒng)［1］中，是必不可少的重要電路。低噪聲放大器位于射頻接收系統(tǒng)的前端，其主要功能是將來自天線的低電壓信號(hào)進(jìn)行小信號(hào)放大。前級(jí)放大器的噪聲系數(shù)對(duì)整個(gè)微波系統(tǒng)的噪聲影響最大，它的增益將決定對(duì)后級(jí)電路的噪聲抑制程度，它的線性度將對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的線性度和共模噪聲抑制比產(chǎn)生重要影響［2］。

對(duì)低噪聲放大器的基本要求是：噪聲系數(shù)低、足夠的功率增益、工作穩(wěn)定性好、足夠的帶寬和大的動(dòng)態(tài)范圍。雙平衡支路低噪聲放大器具有良好的相位特性和互調(diào)特性，動(dòng)態(tài)范圍比單端式放大器大3分貝，具有較小的反射系數(shù)，易于實(shí)現(xiàn)大范圍的自動(dòng)增益控制。平衡式放大器可靠性要比一般的單端式放大器要高，在一個(gè)平衡級(jí)中即使一個(gè)管子損壞，除了增益有所降低外，仍能正常工作［3_4］。

1　設(shè)計(jì)原理

與通常的低頻放大電路不同的是，射頻放大電路需要在輸入端和輸出端加上匹配網(wǎng)絡(luò)，這些匹配網(wǎng)絡(luò)通常由微帶線和電容構(gòu)成［5］。通過對(duì)輸入端和輸出端進(jìn)行匹配，使得放大器的增益達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

但是，采用這種方案的低噪放大器存在以下問題：

1）放大增益不夠，由于僅采用一級(jí)放大，其放大增益可能無法達(dá)到需求

2）放大器的反射系數(shù)過大，采用單級(jí)單支路結(jié)構(gòu)的低噪放大器難以同時(shí)滿足較低的噪聲系數(shù)和較小反射系數(shù)這兩個(gè)指標(biāo)，因此這種方案是無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求的。

因此，本設(shè)計(jì)提出如下方案：

1）采用兩級(jí)放大，以獲得足夠的增益。

2）采用雙平衡支路的方案，使其具有良好的相位特性和互調(diào)特性，并獲得較小的反射系數(shù)［6］。輸入信號(hào)首先經(jīng)過3 dB的功分器，將信號(hào)分成兩條支路，兩條支路的信號(hào)經(jīng)過放大和λ/4變換后，再經(jīng)功分器進(jìn)行合成。采用雙平衡方案后，可以將放大器的噪聲系數(shù)和反射系數(shù)控制在一個(gè)較低的水平［7_8］。

2　設(shè)計(jì)方案

下面將利用ADS軟件對(duì)方案中分別對(duì)所涉及功率分配器，支路放大器，雙平衡放大器，π型衰減網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)。方案如圖1所示，圖中1是雙平衡放大器，2是支路放大器，3是π型衰減網(wǎng)絡(luò)。

2.1功率分配器與支路放大器的設(shè)計(jì)

功率分配器是三端口電路結(jié)構(gòu)，其信號(hào)輸入端的輸入功率為P1，而其他兩個(gè)輸出端的輸出功率分別為P2和P3。理論上，又能量守恒定律可知：P1=P2+P3。功分器端口特性是：端口1無反射，端口2和端口3輸出電壓相等且同向，功率相同，因此得出P2=P3_3（dbm）。本設(shè)計(jì)采用如圖2所示的3 dB Wi1kinson功分器，其中心頻率為875 MHz，帶寬為10 MHz［9］，其S參數(shù)表示為：

圖1　雙平衡低噪聲放大器原理圖

圖2　3dB功分器

從式（1）可以看出，所有端口都是匹配的，從端口1輸入的功率對(duì)等的分配給端口2和端口3，且沒有功率耦合到端口4（即隔離端）。

支路放大器采用典型的單級(jí)FET管放大器電路，這里選用的FET型號(hào)為ATF_54143，放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)為VDS= 3.0 V，據(jù)此可以設(shè)計(jì)出放大電路的直流偏置電路［10］。單支路放大器要求如下：放大器的工作頻段為870～880 MHz；增益＞30 dB；噪聲系數(shù)＜1。在這里不對(duì)反射系數(shù)提出特別的要求，反射系數(shù)將在雙平衡放大電路中進(jìn)行處理。放大器輸入匹配網(wǎng)絡(luò)，由微帶線和電容構(gòu)成，輸出匹配網(wǎng)絡(luò)也由微帶線和電容構(gòu)成，這樣的設(shè)計(jì)符合實(shí)際應(yīng)用中的設(shè)計(jì)［11］。在對(duì)微帶線和電容進(jìn)行smith圓匹配［12］后，得出單支路放大器的仿真結(jié)果，該級(jí)增益在870～880 MHz頻段內(nèi)，增益大于30 dB，且平坦度良好，噪聲系數(shù)小于1。如圖3所示，其反射系數(shù)過高，因此還需優(yōu)化。

圖3　單支路放大器的反射系數(shù)

2.2雙平衡放大器的設(shè)計(jì)

另外，對(duì)于學(xué)生們?cè)趯?shí)驗(yàn)中出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)失敗、而又無法重新實(shí)驗(yàn)的情況,可在計(jì)算機(jī)模擬生理實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行操作,重復(fù)觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果,彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)失敗造成無法觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的不足.另外,對(duì)于一些由于課時(shí)限制而不能開設(shè)的生理學(xué)實(shí)驗(yàn),比如影響家兔動(dòng)脈血壓因素的實(shí)驗(yàn),就可以讓學(xué)生在模擬實(shí)驗(yàn)中體會(huì)各種因素對(duì)心臟收縮活動(dòng)的影響,進(jìn)一步拓寬學(xué)生們的學(xué)習(xí)范圍.

從上圖設(shè)計(jì)看出，單支路放大器的反射系數(shù)較大，因此需要采用雙平衡放大方案。在通訊系統(tǒng)中低噪聲放大器的輸入輸出駐波比小于1.5［13］，而較低的噪聲系數(shù)將造成輸入駐波比不能滿足要求。要保證指標(biāo)，需要采用雙平衡放大器。其良好的相位特性和互調(diào)特性，使得既滿足了駐波比，同時(shí)又能獲得極小的反射系數(shù)。

雙平衡放大器電路如圖4所示，在前端引入3 dB功分器后，信號(hào)進(jìn)入雙平衡電路，對(duì)信號(hào)經(jīng)過放大和λ/4變換后，再通過功分器進(jìn)行合成。在ADS軟件上，通過smith圓匹配后得出，增益仍然大于30 dB，噪聲系數(shù)小于1，反射系數(shù)此時(shí)小于_35 dB，性能良好。

圖4　雙平衡放大器電路

2.3二級(jí)晶體管放大電路設(shè)計(jì)

通過對(duì)前端的雙平衡放大器進(jìn)行仿真，可以看到增益為30 dB，由于通信領(lǐng)域信號(hào)發(fā)射方和接收方的不確定性，例如快速移動(dòng)，信號(hào)屏蔽等情況［14］。30 dB增益并不能滿足高強(qiáng)度的收發(fā)，為此，需要再增加一級(jí)放大電路。這里選用的晶體管型號(hào)為AT_32032［15］。如圖5所示，仍采用微帶線，進(jìn)行smith圓進(jìn)行匹配。

2.4π型衰減器的設(shè)計(jì)

由于本設(shè)計(jì)采用級(jí)聯(lián)放大，需要對(duì)前端輸出和后端輸入進(jìn)行匹配，引入π型衰減網(wǎng)絡(luò)用于將雙平衡放大器的輸出信號(hào)進(jìn)行衰減，衰減后的信號(hào)再進(jìn)入第二級(jí)晶體管放大電路中。同時(shí)它可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性這里采用最簡(jiǎn)單的電阻性衰減網(wǎng)絡(luò)，衰減器電路呈對(duì)稱形式，因此R2、R3都取相同的值。衰減器的電阻值一般根據(jù)衰減量和阻抗匹配來確定。

衰減器對(duì)信號(hào)功率進(jìn)行準(zhǔn)確衰減必須阻抗匹配，不然就會(huì)形成駐波或反射。所以衰減器的輸入端要與信號(hào)源的輸出阻抗匹配；輸出端要與負(fù)載阻抗匹配。所以輸入阻抗、輸出阻抗、負(fù)載阻抗和源輸出阻抗都相等，一般情況下輸入輸出阻抗為50 Ω。因此，輸入阻抗Zm的表達(dá)式如下：

由于R2=R3，因此有

由前面雙平衡1級(jí)放大和二級(jí)放大的增益來看，本設(shè)計(jì)要求衰減約5.7 dB，因此由電路推出：

由R1和R3的關(guān)系，可以計(jì)算出R1和R3的值。得由式（2）（3）到R1=35.30 Ω，R2=R3=157.53 Ω。

如圖4所示，將其放在前端放大器和后端放大器之間。

2.5雙平衡低噪聲放大器綜合設(shè)計(jì)

通過以上分析最終構(gòu)架出整體的低噪聲放大器，由前端功分器，雙平衡放大器，后端功分器，π型衰減器和后端放大器所組成，通過ADS軟件進(jìn)行模擬仿真，smith圓進(jìn)行S參數(shù)匹配，得出傳輸矩陣參數(shù)如圖6～8所示。增益S（2，1）在頻段870～880 MHz時(shí)＞40 dB，反射系數(shù)同樣S（1，1）＜_35 dB，噪聲系數(shù)NF小于1。該放大器性能良好，滿足當(dāng)下3G信號(hào)該波段的放大功能，有一定的實(shí)用價(jià)值。

圖5　AT32032后端偏置放大電路

圖6　增益dB（S（2，1））

圖7　噪聲系數(shù)NF

3　結(jié)論

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了雙平衡低噪聲放大器，相比于普通的低噪聲放大器，實(shí)現(xiàn)了增益更高，平坦型更強(qiáng)，反射系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)。從自頂?shù)降椎脑O(shè)計(jì)方式展開設(shè)計(jì)，并分塊進(jìn)行了功能驗(yàn)證。綜合結(jié)果表明，在頻段870～880 MHz頻段內(nèi)，其放大器增益大于40 db，反射系數(shù)小于_35 db，噪聲系數(shù)小于1。在UHF頻段領(lǐng)域例如高速公路自動(dòng)收費(fèi)，3G通信，停車場(chǎng)管理等方面有著廣泛的應(yīng)用。

圖8　反射系數(shù)dB（S（1，1））

［1］梁立明，南敬昌，劉影.基于ADS射頻低噪聲放大器的設(shè)計(jì)與仿真［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2009，26（11）：352_355

［2］Behzad Razavi.射頻微電子.余志平，周潤德，譯北京：清華大學(xué)出版社，2006.

［3］王云峰，李磊，梁遠(yuǎn)軍，等.雙平衡支路低噪聲放大器的設(shè)計(jì)與測(cè)試［J］.深圳：電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2009，23（z1）：313_317.

［4］Dea1 W Rbiedenbender M.Broadband dua1_gate ba1anced 1ow noise amp1ifies［C］//Compound semiconductor integrated circuit symposium，2006：169_172.

［5］張玉興.射頻模擬電路［M］.成都：電子科技大學(xué)出版社，2002.

［6］李緝熙.射頻短路工程設(shè)計(jì)［M］.鮑景富，唐宗熙，張彪，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2011.

［7］孫玲.高效率射頻功率放大器線性化技術(shù)的比較研究［J］.南通理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，1（3）：25_33.

［8］Reinho1d Ludwig，Pave1 Breretchko.射頻電路設(shè)計(jì)——理論與應(yīng)用［M］.王子宇，張肇儀，徐承和，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2001.

［9］Sayre C W.無線通信電路設(shè)計(jì)分析與仿真［M］.李正權(quán)，燕峰，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2010.

［10］尹治強(qiáng)，謝擴(kuò)軍.基于ATF54143平衡式低噪聲放大器的設(shè)計(jì)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2013，21（2）：86_88.

［11］顧墨琳，林守遠(yuǎn).微波集成電路_回顧與展望.微波學(xué)報(bào)，2000，16 （3）：279_289.

［12］Ludwig R，Bretchko P.RF Circiut Design：Theory and App1ic_ ations［M］.Eng1ewood.Prentice_Ha11，Inc，2000.

［13］Andrei Grebennikov.射頻與微波功率放大器設(shè)計(jì)［M］.張玉興，趙宏分，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2006.

［14］Pozar D M.微波工程［M］.周樂柱，吳德明，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2006.

［15］張小平.功率放大器設(shè)計(jì)及小型化技術(shù)［J］.計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)，2004（10）：197_200.

Deslgn of double-balanced loW nolse amPllfy based on ATF54143

YANG Rui
（School of Engineering and Telecommunication，Tongji University，Shanghai 201804，China）

Based on the contradiction between the noise figure and gain，the doub1e ba1anced 1ow noise amp1ify was designed which re1ied on ATF54143 of Agi1ent CO on band 870～880 MHz.Designed with the top to down design approach，the work used b1ock functiona1 verification.By adding π_type attenuator and doub1e_ba1anced circuit and use ADS software to match the simu1ation resu1ts meet the requirements，the design achieve 1ow noise figure and high gain requirements.

ATF54143j doub1e_ba1anced circuitj high power gainj π_type attenuator

TN722.3

A

1674_6236（2016）10_0117_04

2016_04_26稿件編號(hào)：201604257

楊睿（1991—），男，甘肅蘭州人，碩士研究生。研究方向：CPU設(shè)計(jì)及應(yīng)用。