陳　昊，蔡文郁，汪潤泉

(杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018)

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基于ATF54143和SGL0622Z的北斗低噪放設(shè)計

陳昊，蔡文郁，汪潤泉

(杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018)

摘要：低噪聲放大器是射頻前端中不可或缺也是極為重要的一部分。它是為了過濾和增強(qiáng)無線電信號，減少相應(yīng)的噪聲干擾，為下一個射頻信號處理模塊提供完整、可靠電信號。針對北斗一代而設(shè)計的具有高增益、低噪聲系數(shù)的一種低噪聲放大器設(shè)計方案，選用ATF54143和SGL0622Z作為核心器件。經(jīng)原理圖仿真、版圖聯(lián)合仿真及實(shí)際測試均符合設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：低噪聲放大器；阻抗匹配；噪聲系數(shù)；增益；駐波比

0引言

港口岸線海洋環(huán)境監(jiān)測中廣泛采用銥星、北斗等衛(wèi)星方式進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。北斗一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)除能導(dǎo)航外，更具有短報文通信能力，與其他的導(dǎo)航系統(tǒng)相比有獨(dú)特的優(yōu)勢。低噪聲放大器是射頻接收機(jī)前端的主要部分，它位于接收機(jī)的最前端，將需要處理的無線信號，通過放大、濾波成射頻芯片能處理的信號。由于無線信號非常的弱小，并伴隨著很大的干擾。因此系統(tǒng)對低噪聲放大器的噪聲、增益及線性度有很高的要求，并且要求輸入、輸出阻抗實(shí)現(xiàn)良好的匹配及實(shí)現(xiàn)有效的功率傳輸?，F(xiàn)有的設(shè)計方案采用兩級ATF54143級聯(lián)的方式[1]，通過軟件仿真使其達(dá)到一定增益，并缺少實(shí)際測試結(jié)果，而實(shí)際增益相比仿真結(jié)果通常會下降6 dB左右，無法完全滿足設(shè)計要求，而本文通過ATF54143和SGL0622Z級聯(lián)的方式達(dá)到設(shè)計要求，整個系統(tǒng)無論是仿真還是實(shí)測結(jié)果，在滿足增益的同時依然保持低噪聲，輸入、輸出駐波比低等要求，相比現(xiàn)有方案有了質(zhì)的提升。

1系統(tǒng)要求與設(shè)計方案

參考文獻(xiàn)比較中基于ADS仿真的寬帶低噪聲放大器設(shè)計，它是基于兩級ATF54143低噪放設(shè)計，最終實(shí)際電路增益達(dá)到25 dB左右,本文要求達(dá)到有更高的增益和更低的噪聲系數(shù)。故采用專用的元件庫仿真，又增加了原理圖與版圖聯(lián)合仿真，更接近實(shí)際測試結(jié)果，更具有可靠性。

圖1　低噪放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2低噪聲放大器電路設(shè)計與仿真

2.1　偏置電路設(shè)計

由于SGL0622Z放大器輸入輸出端已完全匹配到50 Ω，這里主要討論的是ATF54143的偏置及匹配電路設(shè)計。查閱ATF54143數(shù)據(jù)手冊，噪聲系數(shù)圖和增益曲線圖分別如圖2、圖3所示，當(dāng)偏置電流VDS=4 V，IDS=40 mA，工作頻率在2 GHz時，噪聲系數(shù)為0.45 dB，最大增益達(dá)18 dB。

圖2　頻率為2 GHz時NF與IDS關(guān)系

圖3　頻率為2 GHz時GAIN與IDS關(guān)系

通常低噪聲放大器各個指標(biāo)之間是相互矛盾的，例如當(dāng)增益提高時，常常以犧牲噪聲系數(shù)為代價，而低噪聲放大器作為整個射頻的第一級，噪聲系數(shù)要盡量低。因此在設(shè)計時各個指標(biāo)要折衷考慮，具有盡量小的噪聲系數(shù)、足夠的增益和整個低噪放的功耗較低。綜合考慮，偏置電流為VDS=3.5 V，IDS=40 mA。最后，選定的ATF54143偏置電路如圖4所示。

圖4　ATF54143偏置電路

2.2　匹配電路設(shè)計

設(shè)計中，希望盡可能地提高S21參數(shù)以提高增益，同時，降低S11和S22參數(shù)，提高輸入、輸出駐波比。然而，在射頻中，很多參數(shù)之間相互制約，相互影響。比如，當(dāng)增益提高的同時必定會引起噪聲系數(shù)的提高。因此，在實(shí)際設(shè)計中，應(yīng)該綜合考慮和平衡各個參數(shù)之間的關(guān)系，得到最優(yōu)值，可借助ADS軟件中Smith圓圖設(shè)計，通常為了達(dá)到噪聲系數(shù)最小，第一級低噪聲放大器輸入匹配按照最佳噪聲系數(shù)匹配設(shè)計，以達(dá)到最佳噪聲系數(shù)。噪聲系數(shù)圓如圖5所示，借助Smith圓圖最終設(shè)計的最佳噪聲系數(shù)圓如圖6所示，最佳噪聲系數(shù)匹配電路如圖7所示。級間匹配和輸出匹配以最佳阻抗匹配設(shè)計，不再贅述。

圖5　噪聲系數(shù)圓

圖6　最佳噪聲系數(shù)匹配圓

根據(jù)匹配電路設(shè)計原理，借助Smith圓圖，分別設(shè)計出ATF54143和SGL0622Z輸入、輸出阻抗匹配，ATF54143和SGL0622Z的單級低噪聲放大器放大電路分別如圖8、圖9所示，包括偏置電路，而直流電路與交流小信號通過電容與電感相互隔離，保證相互之間沒影響。

圖7　最佳噪聲系數(shù)匹配電路

圖8　ATF54143單級放大電路

圖9　SGL0622Z單級放大電路

3綜合仿真及實(shí)際測試與分析

3.1　放大器帶寬的拓展

本設(shè)計基板介電常數(shù)εr=4.4，介質(zhì)層厚度為Н=0.8 mm,損耗正切tanθ=0.02，銅的電導(dǎo)率Cond=5.88×107S/m，導(dǎo)體厚度T=0.035 mm。這里所討論的低噪聲放大器是由ATF54143和SGL0622Z兩級級聯(lián)的，原理圖根據(jù)實(shí)際情況，微帶線參數(shù)由電長度改為實(shí)際參數(shù)，且元器件直接相連處加上必要的連接線。并且考慮到實(shí)際電焊情況，預(yù)留了一定的焊盤距離。經(jīng)優(yōu)化的S參數(shù)仿真結(jié)果如圖10所示，由S21參數(shù)可知，在2.49 GHz左右的中心頻帶內(nèi)，增益控制在37.5 dB左右，顯然帶內(nèi)增益平坦度小于1 dB。輸入輸出駐 波系數(shù)控制在1.5 dB內(nèi)，僅1.288 dB，滿足絕對穩(wěn)定的條件[5]，噪聲系數(shù)在0.686 dB左右。與參考文獻(xiàn)[2]中的設(shè)計相比，在不影響其他指標(biāo)的情況下增益有所提高。

圖10　原理圖-S參數(shù)仿真結(jié)果

3.2　放大器原理圖-版圖聯(lián)合仿真

通常高頻信號之間會相互電磁干擾，且不合理的布局均達(dá)不到理想的效果，因此原理圖仿真后，有必要作原理圖-版圖聯(lián)合仿真，并設(shè)置板子的材質(zhì)參數(shù)，盡可能與實(shí)際相同。通過反復(fù)調(diào)試、仿真與優(yōu)化，最終聯(lián)合仿真圖如圖11所示，增益下降至35.9 dB，噪聲系數(shù)為0.755 dB，輸入輸出駐波為1.203 dB和1.129 dB。但仍滿足絕對穩(wěn)定，對比原理圖仿真結(jié)果，可知原理圖-版圖聯(lián)合仿真結(jié)果與之前有一定差異，但符合設(shè)計要求。聯(lián)合仿真S參數(shù)結(jié)果如圖12所示。

圖11　原理圖-版圖聯(lián)合仿真圖

圖12　聯(lián)合仿真S參數(shù)結(jié)果

3.3　實(shí)際低噪放電路測試結(jié)果與分析

根據(jù)最后版圖設(shè)計而制作的電路測得的偏置電壓VDS=3.47 V，符合設(shè)計要求，然后通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和信號源分析儀測得的增益和噪聲系數(shù)如圖13、14所示，在中心頻率為2.49 GHz時，增益為31.809 dB，S11和S22參數(shù)在-15 dB左右，而噪聲系數(shù)為0.9 dB左右。并且經(jīng)過長期的測試，各項系數(shù)穩(wěn)定，沒有自激震蕩現(xiàn)象。相比聯(lián)合仿真各指標(biāo)有所下降，但符合設(shè)計要求。

圖13　增益、S11 和S22實(shí)際測試結(jié)果

圖14　噪聲系數(shù)實(shí)際測試結(jié)果

4結(jié)束語

本文針對射頻模塊系統(tǒng)要求設(shè)計了低噪聲放大器，對參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行了分析，通過仿真和測試分析，均達(dá)到設(shè)計要求。比較目前現(xiàn)有的設(shè)計方案，無論是在理論上還是在實(shí)際應(yīng)用上，各指標(biāo)均有所提高。同時，本設(shè)計方案都是純軟件仿真，沒有版圖聯(lián)合仿真，更沒有實(shí)際測試電路，因此填補(bǔ)了這方面的空白，并為后續(xù)開發(fā)提供必要的條件。

[1]萬建崗,高玉良,左治方.基于ADS仿真的寬帶低噪聲放大器設(shè)計[J].電訊技術(shù),2009,49(4):58-61.

[2]張鳴.北斗一代衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)射頻通道技術(shù)研究[D].北京:北方工業(yè)大學(xué),2011:9-13.

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[4]孫安鋒.微波低噪放大器模塊的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[D].西安:西安電子科技大學(xué),2012:12-14.

[5]張小兵,陳德智.基于ATF54143的LNA設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2007,30(20):165-167.

The LNA of “Beidou Star-I” Based on ATF54143 and SGL0622Z

Chen Hao，Cai Wenyu，Wang Runquan

(SchoolofElectronicInformation，HangzhouDianziUniversity，HangzhouZhejiang310018，China)

Abstract：The low noise amplifier(LNA) is the indispensable and important part as the front of RF.It is designed to filter and enhance the radio signals，decrease the interference of noise，provide compete and reliable signal for the RF signal processing module.The design of LNA based on “Beidou star-I” satellite's navigation which has higher amplify and lower noise，and choosing the ATF54143 and SGL0622Z as the core chips.The result meets the requirement in the schematic simulation，combined with simulation layout and reality circuit test.

Key words：low noise amplifier；impedance matching；noise factor；gain；voltage standing wave ratio

中圖分類號：TN722.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-9146(2015)06-0023-05

通信作者：

作者簡介：陳昊(1989- )，男，浙江紹興人，在讀研究生，電子系統(tǒng)集成.蔡文郁副教授，E-mail：dreampp2000@163.com.

基金項目：浙江省公益技術(shù)應(yīng)用研究計劃資助項目(2014C33096，2014C33095)

收稿日期：2014-11-06

DOI：10.13954/j.cnki.hdu.2015.06.005