ＡＴＦ３４１４３芯片的仿真及應用

摘要：本文探討了微波集成電路芯片ATF34143在低噪聲放大器設計中的應用。本文設計的LNA應用于某一點多址通信系統中，要求工作頻率為1．4—1．6GHz，噪聲系數NF<0．8，增益G>22dB。最后給出了運用ADS軟件的仿真結果和測試結果，達到了預定的設計指標。

關鍵詞：低噪放(LNA)；ADS；噪聲系數；匹配

引言

現今，對無線系統射頻接收機的要求越來越高，比如低功耗、低噪聲、大動態范圍、高靈敏度和高線性度等。處于接收機最前端的低噪聲放大器(LNA)對于提高系統性能起到了關鍵作用。LNA對天線接收到的微弱射頻信號進行放大，同時還要盡可能的降低各種噪聲對接收系統的干擾。

ATF34143是Agilent公司生產的高電子遷移率晶體管(PHEMT)，它具有高的截止頻率和效率，特別是具有優良的噪聲特性。工作頻率高，其工作頻帶為450MHz一10GHz，在1．9GHz上噪聲系數最小0．5dB，增益為17．5dB。

ADS(Advanced Design System)是Agilent公司在HP EESOF系列EDA軟件基礎上發展完善起來的大型綜合設計軟件，涵蓋了從小元器件到大系統級的設計和分析。其強大的仿真設計手段可在時域或頻域內實現對數字或模擬、線性或非線性電路的綜合仿真分析與優化，并可對設計結果進行成品率分析與優化，從而大大提高了復雜電路的設計效率。

仿真設計過程

為達到增益指標要求，采用兩級晶體管的級聯結構，對第一級進行最佳噪聲匹配，第二級則利用等噪聲圓圖和等增益圓圖對增益和噪聲進行合理的選擇，然后運用ADS仿真軟件對電路進行仿真和優化。

選擇合適晶體管工作狀態

根據兩級級聯系統的噪聲系數公式：

由公式(1)可知，系統第一級的噪聲對系統的影響是最大的，因而第一級應根據最小噪聲系數確定晶體管的工作電流，第二級從最大增益來考慮上作電流，同時兼顧噪聲。

穩定性及措施

放大器的絕對穩定條件要求穩定因子

在選定的晶體管工作條件下計算發現不滿足k>1，此時放大器處在潛在不穩定狀態，因而采用在源極增加電感并將電感用微帶線代替來使放大器工作在絕對穩定的狀態下。

網絡匹配設計

匹配網絡有多種形式，這里采用全微帶匹配。利用ADS中的Smith ChartUtility工具進行匹配，只要知道源匹配阻抗和負載匹配阻抗就可以方便地進行匹配，匹配的步驟是先進行輸入端的匹配，把輸入阻抗匹配到最佳噪聲源阻抗。然后用S參數進行仿真，得出負載匹配阻抗值，然后分別進行輸出阻抗匹配和級間網絡的匹配。

網絡偏置設計

PHEMT的偏置有多種方式，比較常用的一種是在漏極加正電壓，柵極加負電壓以控制漏極電流，源極對直流是直接接地。這種偏置方法的優點是：因為源極沒有偏置電路，所以引入的源極反饋較小，對高頻而言比較容易穩定。

優化仿真

ADS仿真軟件具有強大的優化功能。優化調整時應首先確定優化目標，對LNA的設計而言，優化目標主要有噪聲系數，增益，寬帶范圍內的穩定系數K，以及回波損耗S11的驗證與優化。注意如何規劃仿真，要按照先局部后整體優化，切忌直接全局優化，最好能夠預先計算設置優化元件的初值。要注意仿真的數值穩定性，對于對參數特別敏感的仿真結果在最后制作時是很難實現的。優化后的仿真結果如圖1、圖2所示。

實驗與測試

將仿真結果加工成印制板，焊接電路板時，應首先焊接LNA的供電部分，通電檢查電源正確后再焊接其他無源器件(電阻，電容，電感)，最后將晶體管按正確方式焊接。靜電感應極易造成PHEMT器件毀壞，因此在單片的裝配及焊接過程中，須將焊接裝置和放大器腔體接地。放大器安裝在腔體上，應保持良好的接地性能，否則容易產生放大器自激振蕩。

當電路由于制作誤差產生自激振蕩等現象時，需要在實驗中進行調整，設法使放大器工作正常。使用Agilent公司的噪聲增益測試儀來測試噪聲和增益。把噪聲增益測試儀設置為掃頻放大模式和列表顯示結果，加電測試。最后在屏蔽盒蓋上貼吸收材料，裝好盒蓋。根據仿真結果以及測量結果來看，放大器基本滿足設計指標要求。

結語

與仿真結果相比較，增益變化O．8dB左右，噪聲系數增大0．2dB左右。原因是在微波工作室中整個微帶電路的設計都是在理想無耗狀態下進行的，各微帶模型都是理想的，而在實際制作過程中存在工藝誤差，接頭匹配不太理想，焊接過程有影響，這些都會引起損耗。此外，微帶基片的特性有很大的影響，介電常數可能與設計得不完全一致。微帶基片本身固有的損耗及基片的溫度系數等都會影響放大器的噪聲系數、增益和駐波比等性能。

參考文獻：

1．Reinhold Ludwig，Pavel Bretchko，‘RF Circuit Design Theory andApplication’，科學出版社，2002

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3．方磊，陳邦媛，‘級聯型低噪聲放大器設計和優化研究’，電路與系統學報，2003

4．Thomas Chong，Senjeev Rendava，‘Design and Performance ofa1．6-2．2GHzLow-Noise’，High Gain Dual Amplifier inGaAs E-pHEMT，IEEE 2005

5．ATF34143 datasheet