基于ATF54143的2.45 GHz低噪聲放大器設計

張聚棟，劉景萍，吳 磊，王 倩

（南京理工大學 電子工程與光電技術學院，江蘇 南京 210094）

基于ATF54143的2.45 GHz低噪聲放大器設計

張聚棟，劉景萍，吳 磊，王 倩

（南京理工大學 電子工程與光電技術學院，江蘇 南京 210094）

為了實現低噪聲放大器（LNA）同時實現低噪聲、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優化。實物測試結果顯示，放大器各項指標達到要求并具有低噪聲、高增益、線性度好等特點。該放大器可應用于S波段無線局域網等相關領域，具有很好的實用價值。

低噪聲放大器；噪聲系數；阻抗匹配；線性度

伴隨著通信系統的快速發展，人們對通信工具的作用距離和覆蓋范圍等方面的要求越來越高[1]，這就間接地對通信系統的靈敏度1等指標提出了更高的要求。因此研究如何提高通信系統的靈敏度成為重要的課題。低噪聲放大器作為無線通信、雷達和電子對抗等系統的第一級電路，噪聲和增益可以直接影響整體系統的靈敏度和噪聲系數[2]。所以低噪聲放大器作為天線的下一級在放大過程中不僅要有低噪聲而且要有高增益[3]。低噪聲放大器設計的重點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的微弱信號不會被噪聲淹沒并解調出有用信息，又要保證放大后的信號能夠作為后級的驅動[4]。

如今高科技產品不斷地更新換代，市面對低噪聲放大器的要求在向著低噪聲、高增益、高線性度的方向發展[5]。所以研究一種性能強、尺寸小的低噪聲放大器具有重要意義。

1 電路設計思路

低噪聲放大器常見設計主要有單級放大器結構和平衡式放大器結構。平衡式放大器是利用兩個性能相同的單級放大器和兩個3dB定向耦合器組成。平衡式放大器與單級放大器相比容易匹配所以更容易達到最小噪聲系數和輸入輸出良好匹配。雖然平衡式放大器在可靠性、穩定性等方面優于單級放大器，但是平衡式放大器在成本和尺寸方面都是單級放大器的兩倍，而且研制周期要長。兩種結構的噪聲系數是相同的也就是最小檢測電平是相同的。雖然到現在為止還沒有阻抗匹配達到理想狀態的標準規則，但射頻電路設計者一般認為當輸入輸出反射系數小于-10dB的時候認為匹配良好[6]。這在單級低噪聲放大器還是比較容易做到的，故在本設計中采用單級低噪聲放大器設計。

設計低噪聲放大器需要綜合考慮多個指標，比如高增益、低噪聲系數、低駐波比、適當的增益平坦度等等[7]。但是有些指標在設計過程中會出現矛盾的狀況，比如要實現小的噪聲系數就必須舍棄高增益，反之亦然。所以在設計優化過程中在滿足指標條件的情況下要足夠低的噪聲和盡夠的高增益。綜合所有指標將電路設計框圖如圖1所示。

圖1 低噪聲放大器電路框圖

2 指標設計基本思想

低噪聲放大器（LNA）在射頻接收機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進行放大，是一個小信號放大器[8]。根據接收機靈敏度公式

噪聲系數NF在帶寬BW信噪比確定的情況下對整個接收機靈敏度起到了決定性作用[2]。根據多級級聯放大器的噪聲系數公式（2）

可以看出位于第一級的LNA的噪聲系數NF1和增益G2對整個系統的噪聲系數和靈敏度起到決定性作用[8]。所以低噪聲放大器的噪聲系數在設計過程中重要的設計指標。而信噪比變壞的倍數就是相應的噪聲系數。根據公式（3）

其中NFmin是由晶體管自身決定的最小噪聲系數，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和獲得NFmin的源最佳反射系數[10]。可以看到，噪聲系數與源反射系數相關，而與負載阻抗沒有關系。低噪聲放大器的增益不僅與管子的跨導相關，并且與負載相關，為了實現大的增益在進行輸出匹配的時候要按照最大增益進行匹配[9]。

低噪聲放大器器件的選擇是設計電路的第一步。經過對工作頻率和噪聲等方面的考慮，其中尤其考慮了噪聲參數，選用了低噪聲系數的高電子遷移管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放大的特點。在對ATF54143進行偏置電路設計時，經過對噪聲系數和線性度的綜合考慮之后[11]，將ATF54143直流工作點定為VGS=0.59 V、VDS=3 V、Ids=60 mA。與VDS=3 V、Ids= 40 mA相比，雖然噪聲系數會稍大，但是線性度有很大提高。設計低噪聲放大器過程時一定要保證低噪聲放大器工作在穩定狀態，否則低噪聲放大器就會相當于振蕩器。根據微波管射頻絕對穩定條件，要想使得低噪聲放大器工作在穩定條件下，需要使得

（4）、（5）、（6）同時滿足[1]。在本設計中，通過采用在ATF54143源極加負反饋的方式使K值在整個工作頻率內都大于1，使得低噪聲放大器在設計頻帶內達到穩定效果。

在選擇相應的分立器件構架電路時，盡可能使得相應電容電感的諧振頻率發生在2.45GHz，使得電容在工作頻率處阻抗無限小而電感阻抗在工作頻率處無限大。經過ADS仿真優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源偏置來簡化電路設計。供電電壓為+5 V，由電阻R1、R4和 R5進行分壓提供 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進入偏置電路，C3和C4電容對高頻信號進行旁路。電阻R1通過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進入儀器造成損壞。輸入和輸出匹配采用了純微帶線匹配，其中Tee1、TL2和TL1構成單枝短截微帶線輸入匹配，TL3和TL4構成微帶線輸出匹配。TL5和TL6為ATF54143提供負反饋使得低噪聲放大器在工作頻率狀態下處于穩定狀態。TL5和TL6的取值需要通過如下方法得到。首先考慮到噪聲的影響，所以在ATF54143源端加電感進行負反饋。由于電感值的極小變化對低噪聲放大器的增益和穩定性會造成極大影響[12]，考慮到實際電感的誤差以及微帶線的高加工精度，選擇將電感值轉換為等效微帶線。等效微帶線寬度采用ATF54143最寬源極0.65mm進行設計。等效微帶線長度的計算公式如下：

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

3 實物制作與測量

在選擇電路板材的時候，考慮到低噪聲放大器的低噪聲特點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[13]。一般來說，選擇板材參數的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相對低噪聲放大器的低噪聲系數要求來說損耗角較大，故選用Rogers公司的RO4003C，其參數為tanδ=0.0027、εr=3.38并且板厚為0.508mm。電路制作的版圖和實物圖如圖3所示。

圖4所示的測量數據是由矢量網絡分析儀、噪聲系數分析儀以及頻譜儀等儀器共同測量得到的結果。從圖中可以看出，在工作頻率2.4～2.5 GHz內，實際測量S11<-12 dB，S22<-14 dB，并且隔離性能良好。噪聲系數在中心頻率2.45 GHz出可以達到0.75 dB。1 dB壓縮點實際測量的輸入功率為5 dBm，輸出功率為17 dBm左右。這是因為根據ATF54143的Datasheet，靜態工作點3 V、60 mA下的低噪聲放大器與工作在靜態工作點3 V、40 mA相比雖然噪聲系數會有所提高，但是線性度好很多。

通過低噪聲放大器的測量數據來看，輸入反射系數和輸出反射系數比仿真結果有所惡化，并會有一定頻率的偏移，噪聲測量結果也比仿真結果要大，線性度要好一點。出現這樣的誤差主要是以下方面：1）用ADS仿真的ATF54143模型與實際生產的器件有一定的誤差，不同批次的ATF54143以漏極電流為準；2）實際焊接過程中采用的電容電感并非是仿真中采用的Murata元件，較大的寄生效應會影響測量結果；3）測試過程屏蔽效果不好，并且測試所在的環境和溫度對實際電路的噪聲由極大的影響，具體表現為測量環境越高誤差越大，待測放大器噪聲系數越小誤差越大；4）生產加工工藝和焊接不好導致的寄生效應和分布參數的影響[15]。通過測量表示，測量指標基本滿足設計要求。

圖3 低噪聲放大器版圖和實物圖

4 結束語

文中設計一種基于ATF54143的S波段低噪聲放大器，偏置選擇了噪聲小線性高時的工作點，具有尺寸小、噪聲小、增益大、線性度高等特點。電路整體由ADS仿真優化并經實物調試測量得到。在工作頻率內，S11<-12dB，S22<-14dB，噪聲系數NF=0.75dB，具有高線性度。測量結果表明，該放大器可滿足無線局域網IEEE802.11b標準、北斗系統等應用領域要求。

[1]徐興福.ADS2011射頻電路設計與仿真實例[M].北京:電子工業出版社，2014.

[2]汪亭.S波段低噪聲放大器研究與設計[D].南京：南京理工大學，2013.

圖4 仿真與實測結果對照

[3]汪海鵬，楊曙輝，陳迎潮，等.2.45GHz單級低噪聲放大器的設計[J].科學技術與工程，2015，23（15）: 160-163.

[4]段成麗，徐江，王浩，等.S波段低噪聲放大器仿真設計[J].壓電與聲光，2012，34（4），622-626.

[5]馮永革.低噪聲放大器的研究與設計[D].南京：南京理工大學，2015.

[6]李緝熙.射頻電路工程設計[M].北京:電子工業出版社，2011.

[7]盧益鋒.ADS射頻電路設計與仿真學習筆記[M].北京:電子工業出版社，2015.

[8]劉克明.基于ADS的S波段低噪聲放大器設計[J].數字技術與應用，2014:144-147.

[9]侯雨薇.DC-6GHz超寬帶低噪聲放大器[D].南京：南京理工大學，2014.

[10]潘安，成浩，葛俊祥.X波段低噪聲放大器的設計與仿真[J].現代雷達，2014，36（1）：66-70.

[11]張勝標，張志浩，章國豪.用于S波段的高線性低噪聲放大器 [J].電子器件，2016，39（1）：57-61.

[12]李凱.平衡式低噪聲放大器設計[D].成都：電子科技大學，2015.

[13]Reinhold Ludwig，Gene Bogdanov.射頻電路設計-理論與應用（第二版）[M].北京:電子工業出版社，2013.

[14]吳純杰，董麗元，夏侯海，等.S波段單電源低噪聲放大器的設計與制作 [J].南開大學學報，2011，44（4）：31-34.

[15]程俊,李海華.一種S波段低噪聲放大器的設計[J].電子器件，2013，36（2）：206-209.

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：201607057

國防預研基金資助項目（9140A05030314BQ02071）

張聚棟（1992—），男，山東濰坊人，碩士。研究方向：射頻電路設計。