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          基于ATF54143的微波LNA設計方案

          作者: 時間:2014-05-07 來源: 收藏

          摘要:本論文采用ADS2011仿真軟件,使用Avago公司的晶體管作為主要器件,設計了頻率范圍為2.35~2.45GHz、中心頻率為2.4GHz的,其性能指標為:噪聲系數(shù)<1dB,增益>13dB,輸入輸出駐波比<2,基本上達到了預期的效果。設計過程分為四步。第一步是在明確放大器的性能指標后選擇晶體管,然后進行直流偏置電路的設計。第二步是放大器的穩(wěn)定性分析與設計。第三步就是放大器電路的輸入和輸出匹配。輸入匹配電路以最小噪聲系數(shù)來匹配網(wǎng)絡,輸出匹配電路以最大增益來匹配網(wǎng)絡。第四步就是電路設計完成之后進行電路的優(yōu)化和改進,以達到放大器的設計目標。最后是畫原理圖和采用Altium Design軟件完成電路的PCB版圖制作、電路調試以及實物制作。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/246555.htm

          0 引言

          隨著無線通信業(yè)務的不斷發(fā)展,人們對無線系統(tǒng)的射頻接收機提出了越來越高的要求,如低功耗、低噪聲等。因此,處于射頻接收系統(tǒng)最前端的()對于提高系統(tǒng)性能起到了關鍵作用,其性能指標的好壞對接收機整體性能有很大的影響。

          LNA主要對天線接收來的弱信號進行放大,并且要把功率電平增加到后級所需要的標準,這意味著LNA必須有低噪聲特點,弱信號才不會被噪聲所淹沒;其次LNA還要有高增益特點,輸出才能驅動后級電路,也為了抑制后面各級電路噪聲對整個系統(tǒng)的影響。

          另一方面,LNA一般是通過傳輸線和天線相連,放大器必須與之有良好的阻抗匹配,以達到最大的傳輸功率和最小的噪聲系數(shù)。但往往微波放大器的最大增益和最小噪聲系數(shù)不能同時擁有,這需要設計者在最大增益和最小噪聲系數(shù)之間權衡。

          本論文采用ADS2011仿真軟件,使用Avago公司的晶體管作為主要器件,設計了一款頻率范圍為2.35~2.45GHz、中心頻率為2.4GHz的LNA,其性能指標為:噪聲系數(shù)<1dB,增益>13dB,輸入輸出駐波比<2,并做出實物以及通過測試基本上達到了預期的效果。

          1 微波LNA設計

          本設計采用Avago公司的高電子遷移率晶體管(PHEMT)芯片進行LNA設計。本設計采用安捷倫(Agilent)公司開發(fā)的ADS(Advanced Design System)2011完成設計仿真。完成該放大器設計,需要以下幾個步驟:下載安裝相應的元件庫;直流偏置設計;穩(wěn)定性分析;噪聲系數(shù)分析;輸入、輸出匹配;參數(shù)優(yōu)化。

          ATF54143芯片具有高增益、高線性度以及低噪聲的特性,適用于450MHz~6GHz頻段無線系統(tǒng)的LNA電路中。ATF54143在工作頻率為2.4 GHz、電壓在3V、電流為40mA時,最小噪聲為0.51dB,最大增益為16dB。

          設計一個LNA第一步是確定晶體管的靜態(tài)工作點。按設計出的偏置電路添加元件并設計相應參數(shù),得到LNA基本電路原理圖,如圖1所示。

           

           

          接著要對電路進行穩(wěn)定性分析。為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定,常用的方法是添加負反饋,所以在ATF54143的兩個源級(S級)兩端添加小電感作為負反饋。通過調節(jié)反饋電感值,使其在整個工作頻率范圍內穩(wěn)定,得到L值為0.3nH,仿真結果如圖2所示。

           

           

          從圖中可知添加反饋電感為0.3nH后,穩(wěn)定系數(shù)在2.4G時為1.003>1,此時可以判定為放大器工作穩(wěn)定。

          然后進行噪聲系數(shù)分析,畫出噪聲系數(shù)圓和增益圓的Smith圓圖,如圖3所示。

          從圖中可以看出放大器的噪聲系數(shù)最小值和最大增益不重合,最小噪聲系數(shù)為0.445dB,最大增益為16.283dB。

          接著進行輸入輸出阻抗匹配。由于噪聲系數(shù)最小值和最大增益不重合,在設計輸入阻抗時第一級往往按最小噪聲系數(shù)來設定。從噪聲圓圖中可以看出最小噪聲系數(shù)時輸入阻抗為22.925-i*11.346,為了達到最小噪聲系數(shù),在晶體管的輸入端需要滿足最佳源反射系數(shù)Γout的要求,而整個電路的輸入阻抗為Z0=50 Ω,所以需要添加輸入匹配網(wǎng)絡達到Z0到22.925-i*11.346的變化。最后得到輸入匹配后的仿真結果,如圖4所示。

           

           

          從圖4中可以看出輸入噪聲系數(shù)達到了最小值。說明此時電路輸入端匹配很好。輸出匹配最終目的是盡可能達到最大的增益。

          需要注意的是由于放大器屬于二端口網(wǎng)絡,輸出阻抗會影響到輸入阻抗,所以當設計好輸出匹配后輸入匹配會有所偏離,此時需要通過Tuning優(yōu)化工具進行優(yōu)化以達到最佳參數(shù)。在優(yōu)化前先將電路中的微帶線實際添加到電路。在原理圖中把計算出的實際長度代替理想微帶線,同時在電源端添加幾個分立電容濾波,電源口開始加入3個電容,分別是1 μF、0.01 μF、10pF。經(jīng)過Tuning工具進行最后的優(yōu)化,經(jīng)過擇優(yōu)確定最后的參數(shù)。得到最終的仿真結果如圖5所示。

           

           

          綜合以上各圖可知,在2.35~2.45GHz范圍內,S21的值在16.22到15.98dB之間,S11和S22的值均小于-10dB,因此增益符合技術指標要求。輸入輸出駐波比分別在1.36到1.40和1.38到1.54之間,基本符合技術指標要求。穩(wěn)定性因子大于1,絕對穩(wěn)定,噪聲系數(shù)小于1,符合技術指標要求。根據(jù)原理圖優(yōu)化后的結果可知各項指標均滿足要求。

          2 LNA的實現(xiàn)和測試結果

          根據(jù)仿真結果選擇并且擺放元器件,由于輸入輸出端用到了傳輸線匹配網(wǎng)絡,在畫時要考慮到線的寬度和長度。還有ATF54143本身不穩(wěn)定,需要在S級處添加一小段傳輸線以保證系統(tǒng)穩(wěn)定,具體參數(shù)在前面的仿真中已經(jīng)確定。為了保證接地面的等勢性,在電路板上需要大面積敷銅并在敷銅上加入多個過孔。再者由于在微波段過孔會產(chǎn)生大量寄生電容、電感影響,所以所涉及的元器件都采用貼片封裝形式。為了避免信號傳輸線上因為過孔產(chǎn)生影響,輸入輸出使用的SMA射頻連接器接口直接焊接在一小段線上連入電路避免使用過孔。本設計電路中的電容和電感不使用ADS自帶的理想元器件,而采用村田公司(MuRata)的相關器件。ATF54143使用SOT封裝。繪制的版圖如圖6所示。

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          關鍵詞: ATF54143 LNA

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