基于S波段低噪聲放大電路設(shè)計

基于S波段低噪聲放大電路設(shè)計

0 引? 言

近年來，國內(nèi)無線通信系統(tǒng)的快速發(fā)展，使得微波頻率在衛(wèi)星通信中引用越來越廣泛。通信距離越來越遠(yuǎn)、靈敏度越來越高對系統(tǒng)的性能提出了更高的要求，通信系統(tǒng)不但要求放大微弱信號中有用信號，同時要求具有較小的噪聲系數(shù)。所以對于系統(tǒng)來說，低噪聲放大電路模塊很大程度上決定了系統(tǒng)的整體指標(biāo)。

1 低噪聲放大電路的設(shè)計

1.1 低噪聲放大電路設(shè)計技術(shù)指標(biāo)

低噪聲放大電路(LNA)的設(shè)計中主要考慮噪聲系數(shù)(NF)、增益(Gain)、動態(tài)范圍和穩(wěn)定性。這里設(shè)計的要求達(dá)到指標(biāo)要求如表1所示。



在此使用安捷倫公司生產(chǎn)的低噪聲放大管ATF-54143是基于E-PHEMT的新型工藝。E-PHEMT工藝與傳統(tǒng)的工藝不同，傳統(tǒng)的Depletion-modepHEMT低噪聲放大器在門電壓(Vgs=0)時溝道電流(Id)達(dá)到一個飽和值(Idss)；而E-pHEMT在偏置電壓為0時沒有傳導(dǎo)電流，Vgs=0，Id=0不需要像損耗型加負(fù)電壓，增加的負(fù)電壓不但增加系統(tǒng)花費，而且占用電路板有用空間和一些額外的設(shè)計需要。

表2為ATF-54143低噪聲放大電路中心工作頻率為3.9 GHz時，直流偏置工作點的增益和噪聲系數(shù)。為了使低噪聲放大電路的參數(shù)達(dá)到表1中的各項指標(biāo)，通過對表2折中考慮，直流偏置工作點選擇Vds=3 V，Ids=60 mA。



1.2?偏置電路及匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

ATF-54143元件的直流偏置工作電壓以電阻R1和R2組成的分壓器實現(xiàn)(見圖1)，分壓電路的電壓取自漏極電壓，并為電路提供電壓負(fù)反饋以維持漏極電流的恒定，R3為漏柵極限壓電阻。R1～R3可通過式(1) 計算：



式中：Ids為漏極電流；IBB是流經(jīng)R1和R2組成的電壓分配網(wǎng)絡(luò)的電流。由VDD=5 V，Vds=3 V，Ids=60 mA，Vgs=0.6 V，可求得R1=1 200 Ω，R2=300 Ω，R3=25 Ω。


ATF-54143元件提供的增益強烈的依賴其在輸入端和輸出端分別所加載的源和負(fù)載阻抗。匹配電路的作用就是要保證在工作頻率范圍能達(dá)到所希望的性能指標(biāo)。因此設(shè)計匹配電路是放大器設(shè)計的主要任務(wù)，通過Smith圓圖將放大器源端阻抗與輸入／輸出端進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)匹配設(shè)計。在設(shè)計低噪聲放大器的匹配電路時，輸入匹配網(wǎng)絡(luò)是為獲得最小噪聲而設(shè)計的最佳噪聲匹配網(wǎng)絡(luò)，而輸出匹配采用共軛阻抗匹配以獲得最大功率。在此采用π型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，L1L2／C1和L3L4／C4組成輸入／輸出端的阻抗匹配電路。???

提高LNA性能還可以通過調(diào)節(jié)放大器的源端電感L5和L6實現(xiàn)，L5和L6實際上是源端與地之間非常短的傳輸線，作為電路的串聯(lián)負(fù)反饋，在頻率較高時其反饋對電路的增益、穩(wěn)定性和回波損耗有著較大的影響。

1.3 S參數(shù)和噪聲系數(shù)的仿真分析

本文設(shè)計的低噪聲放大電路使用的介質(zhì)板為ARLONG 25FR，厚度為0.5 mm。ATF-54143的模塊是一個Touchstone格式的雙端口S參數(shù)，ADS模擬軟件中Sparams_wNoise模板可以實現(xiàn)低噪聲放大電路的模擬仿真。通過計算估計匹配電路的初始參數(shù)，然后使用ADS仿真軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計得到最佳設(shè)計方案。仿真結(jié)果如圖2，圖3所示，電路增益大于13 dB，輸入／輸出端反射系數(shù)在-10 dB左右。在ADS仿真優(yōu)化中發(fā)現(xiàn)L2和GATE之間的微帶線的長度不能太長，太長會增加噪聲系數(shù)和入射端反射系數(shù)；DRAIN和L3之間的微帶線長度小于1 mm并逐漸減少時輸出端反射系數(shù)增加，當(dāng)長度大于1 mm并逐漸增大時輸出端反射系數(shù)S22會減小，但輸入端的反射系數(shù)S11會變差。可以看出高頻時微帶的長度對電路特性有較大影響。

高頻時由于微波晶體管的增益隨著頻率升高而降低，所以需要在工作頻率的高端共軛匹配和低端校正。圖2可看出3.8～4 GHz頻率范圍內(nèi)，增益波動只有0.5 dB。


最小噪聲系數(shù)的信號源阻抗在特性上是電感性，而且放大器的輸入阻抗從本質(zhì)上講是電容性的，所以提供一個對50 Ω的信號源良好匹配而又不降低噪聲系數(shù)是很難的。在Smith圓圖上將待配的源阻抗點移離最佳噪聲匹配點，形成一系列等噪聲系數(shù)圓。當(dāng)Γs=Γopt時，噪聲系數(shù)最小，NF=NFmin。當(dāng)Γs≠Γopt時。選取等噪聲系數(shù)圓上的最佳噪聲系數(shù)點的阻抗匹配到輸入端。仿真結(jié)果如圖4所示，在200 MHz帶寬能，噪聲系數(shù)都小于0.65 dB，優(yōu)于預(yù)期的設(shè)計要求。

除了能夠得到增益和噪聲系數(shù)等重要參數(shù)外，ADS模擬軟件還能對低噪聲放大電路的穩(wěn)定性進(jìn)行仿真計算Rollet穩(wěn)定性因子K。圖5是在ADS中仿真得出的結(jié)果K>1，在3.8～4 GHz工作帶寬范圍滿足穩(wěn)定條件。




1.4?電路樣品測量結(jié)果

根據(jù)上述設(shè)計制成實物，測量各個參數(shù)并驗證測試結(jié)果與仿真結(jié)果是否與之相符，是否滿足表1的設(shè)計要求。這里使用安捷倫公司的網(wǎng)絡(luò)分析儀和噪聲儀進(jìn)行測試，結(jié)果如圖6，圖7所示。

圖6為電路的傳輸系數(shù)S21、輸入反射系數(shù)S11和輸出反射系數(shù)S22。圖7為電路的噪聲系數(shù)和增益。因為測試的結(jié)果是經(jīng)過調(diào)試的結(jié)果，所以和仿真的結(jié)果有些不同。電路的直流偏置為Vds=3 V，Ids=60 mA，中心工作頻率為3.9 GHz，帶寬為200 MHz的頻率范圍內(nèi)噪聲系數(shù)在1.2～1.6 dB之間，增益在3.84 GHz時達(dá)到最大值15.8 dB，輸入回波為S11=-40 dB，輸出回波較大S22=-8.3 dB。從測試結(jié)果中得出低噪聲放大電路在工作頻帶內(nèi)增益和回波損耗都滿足要求，只是噪聲系數(shù)測試結(jié)果比仿真結(jié)果大，可能是因為測試儀器的同軸連接器的損耗造成的。

2 結(jié)語

本文給出了基于ATF-54143的S波段低噪聲放大電路的設(shè)計、仿真分析與樣品測試。測試結(jié)果表明，實際測得的結(jié)果和仿真結(jié)果基本相符，滿足設(shè)計的指標(biāo)要求。目前，已應(yīng)用于通信系統(tǒng)中，具有較好的應(yīng)用前景。