如何利用ATF54143设计低噪声放大器？

　　摘　要：叙述一种应用于CDMA2000 基站前端的低噪声放大器的设计方案，根据基站接收系统架构确定低噪声放大器指标，利用安捷伦的先进设计系统软件进行仿真设计，仿真结果表明放大器工作频率在810～850 MHz 频率范围内增益为18 dB 左右，噪声系数018 dB ，输入回波损耗大于15 dB ，输出回波损耗大于12 dB。经实际调试与测量表明结果达到了指标要求，准备应用于杭州某通信公司的产品中。
　　随着移动通信的普及，移动通信设备商之间竞争也更加激烈;各大通信巨头为了抢夺市场，不断提高基站的性能，降低基站的价格;低噪声放大器是基站接收机的第一级，图1 是典型的基站结构示意图，从图中可以看到低噪声放大器位于接收机的最前端，因此对基站接收机来说，低噪声放大器是十分关键的部件，它直接影响到整个接收链路的信噪比，对提高基站灵敏度有决定性影响。
　　安捷伦公司的A TF54143 是一种增强型伪高电子迁移率晶体管，不需要负栅极电压，与耗尽型管相比较，可以简化排版而且减少零件数，该晶体管最显着的特点是低噪声，并具有高增益、高线性度等特性，他特别适用于工作频率范围在450 MHz ～6 GHz 之间的蜂窝/ PCS/ WCDMA 基站、无线本地环路、固定无线接入和其他高性能应用中的第一阶和第二阶前端低噪声放大器电路中。
　　
　　图1 　基站结构示意图
　　1 　仿真设计
　　本文采用安捷伦公司的A TF54143 设计低噪声放大器，该低噪声放大器主要指标为： 在810～850 MHz 范围内达到增益大于17 dB ，噪声系数小于018 ，输入回波损耗大于15 dB ，输出回波损耗大于12 dB ，输出三阶交调系数大于27 dBm。
　　1.1 　晶体管模型低噪声放大器
　　通常会在源极加电感来增加稳定性，稳定性设计对于任何放大器都是必需的，没有设计成绝对稳定的放大器不能应用到产品中去的;影响低噪声放大器稳定性的因素有很多，其中源极电感是其中之一。
　　图2 是未加源极电感的FET 晶体管的等效原理图。
　　
　　图2　未加源极电感的FET 等效原理图
　　由图可知输入等效阻抗的表达式为式（1） ：
　　
　　图3 是加上源极电感的FET 等效原理图。
　　
　　图3 　添加源极电感的FET 等效图
　　从原理图中可知输入等效阻抗表达式（2） 为：
　　
　　加入源极电感不仅改善稳定性，也能改善输入输出匹配与噪声系数，是设计低噪声放大器非常重要的方法。
　　1.2 　电路原理图
　　根据原理图，利用ADS 对电路进行S 参数仿真，为了提高仿真的准确性，电路元器件都采用了厂商提供的等效模型，同时将Rogers 的板材特性参数代入微带线模型中。图4 是用于ADS 的仿真原理图。
　　
　　图4 　仿真原理图
　　通过ADS 仿真及最后的实际电路测试，我们发现该低噪声放大器能够较好的满足设计要求。图5是实际测试结果图。图中可以看出，实际测试数据与仿真结果比较一致。
　　1.3 　仿真测量结果
　　根据技术指标要求，利用安捷伦的高级设计系统软件仿真了工作频段在810～850 MHz 范围的低噪声放大器，采用ROGES 公司的高频线路板，介电常数为3148 ，厚度为20 mil ;仿真结果如图，从仿真2 　低噪声放大器的调试结果按照仿真结果，制成了PCB 样板并通过网络分析仪测试S 参数与噪声测试见图6 。图5 是低噪声放大器的实物图。表2 是实测数据，从实测数据中可以看到，低噪声放大器是绝对稳定的，且在带内增益达到1815 dB 以上，输入回波损耗20 dB 以上，输出回波损耗为15 dB 左右， 噪声系数维持在0185 dB ，实测数据与仿真数据并无太大差异，这也证明了仿真方法的正确性。结果可以看出低噪声放大器的增益大于18 dB ，噪声系数小于018 ，输入回波损耗大于15 dB ，输出回波损耗大于12 dB。
　　表1 　仿真数据
　　
　　2 　低噪声放大器的调试结果
　　按照仿真结果，制成了PCB 样板并通过网络分析仪测试S 参数与噪声测试见图6 。图5 是低噪声放大器的实物图。表2 是实测数据，从实测数据中可以看到，低噪声放大器是绝对稳定的，且在带内增益达到1815 dB 以上，输入回波损耗20 dB 以上，输出回波损耗为15 dB 左右， 噪声系数维持在0185 dB ，实测数据与仿真数据并无太大差异，这也证明了仿真方法的正确性。
　　表2 　实测数据
　　
　　
　　图5 　低噪声放大器实物
　　从测试结果来看，低噪声放大器的指标已基本符合CDMA 基站对第一级放大器的要求，考虑到实际应用中电子产品的特性会随环境温度变化而变化，因此对低噪声放大器进行温度特性测试是下一步工作，也是设计产品不可缺少的一环。
　　3 　结束语
　　低噪声放大器是基站接收机中的关键器件之一; 本文采用安捷伦公司的先进设计系统与A TF54143 ，通过对噪声系数与输入回波损耗的折中设计，进行共轭匹配，成功设计出低噪声放大器。
　　其工作频段的性能参数为：噪声系数为0185 ，P1 dB约为16 dBm ，输入回波损耗大于20 ，输出回波损耗大于14 ，增益保持在18 dB 以上。得到了最终的版图并且对其进行测量，并经过高低温与差异性测试，证明其完全能应用到实际产品中，目前准备应用于杭州某通信公司的产品中。