基于ATF54143的2.45 GHz低噪聲放大器設(shè)計(jì)

張聚棟，劉景萍，吳 磊，王 倩

（南京理工大學(xué) 電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210094）

基于ATF54143的2.45 GHz低噪聲放大器設(shè)計(jì)

張聚棟，劉景萍，吳 磊，王 倩

（南京理工大學(xué) 電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210094）

為了實(shí)現(xiàn)低噪聲放大器（LNA）同時(shí)實(shí)現(xiàn)低噪聲、高增益及高線性度的目的，采用了偏置電路、最小噪聲匹配及最大輸出增益匹配相結(jié)合的方案。ATF54143工作在（3 V，60 mA）使其具有極高線性度，整體電路由ADS優(yōu)化。實(shí)物測(cè)試結(jié)果顯示，放大器各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到要求并具有低噪聲、高增益、線性度好等特點(diǎn)。該放大器可應(yīng)用于S波段無(wú)線局域網(wǎng)等相關(guān)領(lǐng)域，具有很好的實(shí)用價(jià)值。

低噪聲放大器；噪聲系數(shù)；阻抗匹配；線性度

伴隨著通信系統(tǒng)的快速發(fā)展，人們對(duì)通信工具的作用距離和覆蓋范圍等方面的要求越來(lái)越高[1]，這就間接地對(duì)通信系統(tǒng)的靈敏度1等指標(biāo)提出了更高的要求。因此研究如何提高通信系統(tǒng)的靈敏度成為重要的課題。低噪聲放大器作為無(wú)線通信、雷達(dá)和電子對(duì)抗等系統(tǒng)的第一級(jí)電路，噪聲和增益可以直接影響整體系統(tǒng)的靈敏度和噪聲系數(shù)[2]。所以低噪聲放大器作為天線的下一級(jí)在放大過(guò)程中不僅要有低噪聲而且要有高增益[3]。低噪聲放大器設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于解決低噪聲與高增益之間的矛盾，保證從天線接收下來(lái)的微弱信號(hào)不會(huì)被噪聲淹沒(méi)并解調(diào)出有用信息，又要保證放大后的信號(hào)能夠作為后級(jí)的驅(qū)動(dòng)[4]。

如今高科技產(chǎn)品不斷地更新?lián)Q代，市面對(duì)低噪聲放大器的要求在向著低噪聲、高增益、高線性度的方向發(fā)展[5]。所以研究一種性能強(qiáng)、尺寸小的低噪聲放大器具有重要意義。

1 電路設(shè)計(jì)思路

低噪聲放大器常見(jiàn)設(shè)計(jì)主要有單級(jí)放大器結(jié)構(gòu)和平衡式放大器結(jié)構(gòu)。平衡式放大器是利用兩個(gè)性能相同的單級(jí)放大器和兩個(gè)3dB定向耦合器組成。平衡式放大器與單級(jí)放大器相比容易匹配所以更容易達(dá)到最小噪聲系數(shù)和輸入輸出良好匹配。雖然平衡式放大器在可靠性、穩(wěn)定性等方面優(yōu)于單級(jí)放大器，但是平衡式放大器在成本和尺寸方面都是單級(jí)放大器的兩倍，而且研制周期要長(zhǎng)。兩種結(jié)構(gòu)的噪聲系數(shù)是相同的也就是最小檢測(cè)電平是相同的。雖然到現(xiàn)在為止還沒(méi)有阻抗匹配達(dá)到理想狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則，但射頻電路設(shè)計(jì)者一般認(rèn)為當(dāng)輸入輸出反射系數(shù)小于-10dB的時(shí)候認(rèn)為匹配良好[6]。這在單級(jí)低噪聲放大器還是比較容易做到的，故在本設(shè)計(jì)中采用單級(jí)低噪聲放大器設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)低噪聲放大器需要綜合考慮多個(gè)指標(biāo)，比如高增益、低噪聲系數(shù)、低駐波比、適當(dāng)?shù)脑鲆嫫教苟鹊鹊萚7]。但是有些指標(biāo)在設(shè)計(jì)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)矛盾的狀況，比如要實(shí)現(xiàn)小的噪聲系數(shù)就必須舍棄高增益，反之亦然。所以在設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程中在滿足指標(biāo)條件的情況下要足夠低的噪聲和盡夠的高增益。綜合所有指標(biāo)將電路設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 低噪聲放大器電路框圖

2 指標(biāo)設(shè)計(jì)基本思想

低噪聲放大器（LNA）在射頻接收機(jī)前端電路中起著不可或缺的作用。低噪聲放大器的主要作用是將天線從空中接收到的信號(hào)進(jìn)行放大，是一個(gè)小信號(hào)放大器[8]。根據(jù)接收機(jī)靈敏度公式

噪聲系數(shù)NF在帶寬BW信噪比確定的情況下對(duì)整個(gè)接收機(jī)靈敏度起到了決定性作用[2]。根據(jù)多級(jí)級(jí)聯(lián)放大器的噪聲系數(shù)公式（2）

可以看出位于第一級(jí)的LNA的噪聲系數(shù)NF1和增益G2對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)和靈敏度起到?jīng)Q定性作用[8]。所以低噪聲放大器的噪聲系數(shù)在設(shè)計(jì)過(guò)程中重要的設(shè)計(jì)指標(biāo)。而信噪比變壞的倍數(shù)就是相應(yīng)的噪聲系數(shù)。根據(jù)公式（3）

其中NFmin是由晶體管自身決定的最小噪聲系數(shù)，Rn為晶體管等效噪聲電阻，Γs和Γopt分別表示晶體管輸入端的源反射系數(shù)和獲得NFmin的源最佳反射系數(shù)[10]?？梢钥吹?，噪聲系數(shù)與源反射系數(shù)相關(guān)，而與負(fù)載阻抗沒(méi)有關(guān)系。低噪聲放大器的增益不僅與管子的跨導(dǎo)相關(guān)，并且與負(fù)載相關(guān)，為了實(shí)現(xiàn)大的增益在進(jìn)行輸出匹配的時(shí)候要按照最大增益進(jìn)行匹配[9]。

低噪聲放大器器件的選擇是設(shè)計(jì)電路的第一步。經(jīng)過(guò)對(duì)工作頻率和噪聲等方面的考慮，其中尤其考慮了噪聲參數(shù)，選用了低噪聲系數(shù)的高電子遷移管ATF54143。ATF54143與其他器件相比具有噪聲低、功率小并且更適合小信號(hào)放大的特點(diǎn)。在對(duì)ATF54143進(jìn)行偏置電路設(shè)計(jì)時(shí)，經(jīng)過(guò)對(duì)噪聲系數(shù)和線性度的綜合考慮之后[11]，將ATF54143直流工作點(diǎn)定為VGS=0.59 V、VDS=3 V、Ids=60 mA。與VDS=3 V、Ids= 40 mA相比，雖然噪聲系數(shù)會(huì)稍大，但是線性度有很大提高。設(shè)計(jì)低噪聲放大器過(guò)程時(shí)一定要保證低噪聲放大器工作在穩(wěn)定狀態(tài)，否則低噪聲放大器就會(huì)相當(dāng)于振蕩器。根據(jù)微波管射頻絕對(duì)穩(wěn)定條件，要想使得低噪聲放大器工作在穩(wěn)定條件下，需要使得

（4）、（5）、（6）同時(shí)滿足[1]。在本設(shè)計(jì)中，通過(guò)采用在ATF54143源極加負(fù)反饋的方式使K值在整個(gè)工作頻率內(nèi)都大于1，使得低噪聲放大器在設(shè)計(jì)頻帶內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定效果。

在選擇相應(yīng)的分立器件構(gòu)架電路時(shí)，盡可能使得相應(yīng)電容電感的諧振頻率發(fā)生在2.45GHz，使得電容在工作頻率處阻抗無(wú)限小而電感阻抗在工作頻率處無(wú)限大。經(jīng)過(guò)ADS仿真優(yōu)化得到最后的總體電路圖如圖2所示。

圖2 低噪聲放大器總體電路圖

在電路中，ATF54143偏置采用占用面積小的無(wú)源偏置來(lái)簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)。供電電壓為+5 V，由電阻R1、R4和 R5進(jìn)行分壓提供 ATF54143柵極漏極偏壓。其中L1、L2、C3和C4等效為高通濾波電路進(jìn)行分析并且取值由ADS仿真得到，其中L1、L2電感為扼流圈抑制高頻信號(hào)進(jìn)入偏置電路，C3和C4電容對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行旁路。電阻R1通過(guò)提供低頻阻性終端與電容C1提供低頻通道。其中，R3為ATF54143的柵極保護(hù)電阻。Vcc為工作+5 V電壓，C2為去耦電容，Term1和Term2為50Ω的輸入輸出端口。C5和C6為隔直電容防止直流信號(hào)進(jìn)入儀器造成損壞。輸入和輸出匹配采用了純微帶線匹配，其中Tee1、TL2和TL1構(gòu)成單枝短截微帶線輸入匹配，TL3和TL4構(gòu)成微帶線輸出匹配。TL5和TL6為ATF54143提供負(fù)反饋使得低噪聲放大器在工作頻率狀態(tài)下處于穩(wěn)定狀態(tài)。TL5和TL6的取值需要通過(guò)如下方法得到。首先考慮到噪聲的影響，所以在ATF54143源端加電感進(jìn)行負(fù)反饋。由于電感值的極小變化對(duì)低噪聲放大器的增益和穩(wěn)定性會(huì)造成極大影響[12]，考慮到實(shí)際電感的誤差以及微帶線的高加工精度，選擇將電感值轉(zhuǎn)換為等效微帶線。等效微帶線寬度采用ATF54143最寬源極0.65mm進(jìn)行設(shè)計(jì)。等效微帶線長(zhǎng)度的計(jì)算公式如下：

其中，ω=2πt是角頻率；l為微帶線長(zhǎng)度，單位是m；Z是微帶線特性阻抗，由ADS2011中的LineCalculation工具計(jì)算得到。

3 實(shí)物制作與測(cè)量

在選擇電路板材的時(shí)候，考慮到低噪聲放大器的低噪聲特點(diǎn)需要選用損耗比較小的板材，損耗的大小與板材的損耗角正切值tanδ有關(guān)[13]。一般來(lái)說(shuō)，選擇板材參數(shù)的tanδ越小，抗噪性越好，頻率越高抗噪特性就明顯[14]。FR4是常用的高頻電路板，但tanδ=0.02相對(duì)低噪聲放大器的低噪聲系數(shù)要求來(lái)說(shuō)損耗角較大，故選用Rogers公司的RO4003C，其參數(shù)為tanδ=0.0027、εr=3.38并且板厚為0.508mm。電路制作的版圖和實(shí)物圖如圖3所示。

圖4所示的測(cè)量數(shù)據(jù)是由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、噪聲系數(shù)分析儀以及頻譜儀等儀器共同測(cè)量得到的結(jié)果。從圖中可以看出，在工作頻率2.4～2.5 GHz內(nèi)，實(shí)際測(cè)量S11<-12 dB，S22<-14 dB，并且隔離性能良好。噪聲系數(shù)在中心頻率2.45 GHz出可以達(dá)到0.75 dB。1 dB壓縮點(diǎn)實(shí)際測(cè)量的輸入功率為5 dBm，輸出功率為17 dBm左右。這是因?yàn)楦鶕?jù)ATF54143的Datasheet，靜態(tài)工作點(diǎn)3 V、60 mA下的低噪聲放大器與工作在靜態(tài)工作點(diǎn)3 V、40 mA相比雖然噪聲系數(shù)會(huì)有所提高，但是線性度好很多。

通過(guò)低噪聲放大器的測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)看，輸入反射系數(shù)和輸出反射系數(shù)比仿真結(jié)果有所惡化，并會(huì)有一定頻率的偏移，噪聲測(cè)量結(jié)果也比仿真結(jié)果要大，線性度要好一點(diǎn)。出現(xiàn)這樣的誤差主要是以下方面：1）用ADS仿真的ATF54143模型與實(shí)際生產(chǎn)的器件有一定的誤差，不同批次的ATF54143以漏極電流為準(zhǔn)；2）實(shí)際焊接過(guò)程中采用的電容電感并非是仿真中采用的Murata元件，較大的寄生效應(yīng)會(huì)影響測(cè)量結(jié)果；3）測(cè)試過(guò)程屏蔽效果不好，并且測(cè)試所在的環(huán)境和溫度對(duì)實(shí)際電路的噪聲由極大的影響，具體表現(xiàn)為測(cè)量環(huán)境越高誤差越大，待測(cè)放大器噪聲系數(shù)越小誤差越大；4）生產(chǎn)加工工藝和焊接不好導(dǎo)致的寄生效應(yīng)和分布參數(shù)的影響[15]。通過(guò)測(cè)量表示，測(cè)量指標(biāo)基本滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 低噪聲放大器版圖和實(shí)物圖

4 結(jié)束語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)一種基于ATF54143的S波段低噪聲放大器，偏置選擇了噪聲小線性高時(shí)的工作點(diǎn)，具有尺寸小、噪聲小、增益大、線性度高等特點(diǎn)。電路整體由ADS仿真優(yōu)化并經(jīng)實(shí)物調(diào)試測(cè)量得到。在工作頻率內(nèi)，S11<-12dB，S22<-14dB，噪聲系數(shù)NF=0.75dB，具有高線性度。測(cè)量結(jié)果表明，該放大器可滿足無(wú)線局域網(wǎng)IEEE802.11b標(biāo)準(zhǔn)、北斗系統(tǒng)等應(yīng)用領(lǐng)域要求。

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圖4 仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)照

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Design of low noise amplifier for 2.45GHz based on ATF54143

ZHANG Ju-dong，LIU Jing-ping，WU Lei，WANG Qian
（School of Electronic Engineering and Optical Technology，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China）

In order to satisfy the LNA's requirement of low noise and high gain，a scheme which combines the biascircuit，the minimum noise matching and the maximum output gain matching is used. ATF54143 work in（3V，60mA）so that it has high linearity.The whole circuit was optimized by ADS.The testing results show that the amplifier of the indicators to achieve the basic requirements and with low noise，high gain，good linearity and so on.The amplifier which has good practical value can be used in wireless local area network and other related fields for S-band.

low noise amplifier；noise figure；impedance match；linearity

TN722.3

：A

：1674-6236（2017）08-0131-04

2016-07-07稿件編號(hào)：201607057

國(guó)防預(yù)研基金資助項(xiàng)目（9140A05030314BQ02071）

張聚棟（1992—），男，山東濰坊人，碩士。研究方向：射頻電路設(shè)計(jì)。