陳　昊，蔡文郁，汪潤(rùn)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(jì)

陳昊，蔡文郁，汪潤(rùn)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(guò)濾和增強(qiáng)無(wú)線電信號(hào)，減少相應(yīng)的噪聲干擾，為下一個(gè)射頻信號(hào)處理模塊提供完整、可靠電信號(hào)。針對(duì)北斗一代而設(shè)計(jì)的具有高增益、低噪聲系數(shù)的一種低噪聲放大器設(shè)計(jì)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(cè)試均符合設(shè)計(jì)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(cè)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(bào)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(shì)。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(wú)線信號(hào)，通過(guò)放大、濾波成射頻芯片能處理的信號(hào)。由于無(wú)線信號(hào)非常的弱小，并伴隨著很大的干擾。因此系統(tǒng)對(duì)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(jì)方案采用兩級(jí)ATF54143級(jí)聯(lián)的方式[1]，通過(guò)軟件仿真使其達(dá)到一定增益，并缺少實(shí)際測(cè)試結(jié)果，而實(shí)際增益相比仿真結(jié)果通常會(huì)下降6 dB左右，無(wú)法完全滿足設(shè)計(jì)要求，而本文通過(guò)ATF54143和SGL0622Z級(jí)聯(lián)的方式達(dá)到設(shè)計(jì)要求，整個(gè)系統(tǒng)無(wú)論是仿真還是實(shí)測(cè)結(jié)果，在滿足增益的同時(shí)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(jì)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(jì)，它是基于兩級(jí)ATF54143低噪放設(shè)計(jì)，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(zhuān)用的元件庫(kù)仿真，又增加了原理圖與版圖聯(lián)合仿真，更接近實(shí)際測(cè)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(jì)與仿真

2.1　偏置電路設(shè)計(jì)

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(jì)。查閱ATF54143數(shù)據(jù)手冊(cè)，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(shí)，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(shí)NF與IDS關(guān)系

圖3　頻率為2 GHz時(shí)GAIN與IDS關(guān)系

通常低噪聲放大器各個(gè)指標(biāo)之間是相互矛盾的，例如當(dāng)增益提高時(shí)，常常以犧牲噪聲系數(shù)為代價(jià)，而低噪聲放大器作為整個(gè)射頻的第一級(jí)，噪聲系數(shù)要盡量低。因此在設(shè)計(jì)時(shí)各個(gè)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(gè)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(jì)

設(shè)計(jì)中，希望盡可能地提高S21參數(shù)以提高增益，同時(shí)，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(shí)必定會(huì)引起噪聲系數(shù)的提高。因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)該綜合考慮和平衡各個(gè)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(jì)，通常為了達(dá)到噪聲系數(shù)最小，第一級(jí)低噪聲放大器輸入匹配按照最佳噪聲系數(shù)匹配設(shè)計(jì)，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(jì)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(jí)間匹配和輸出匹配以最佳阻抗匹配設(shè)計(jì)，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(jì)原理，借助Smith圓圖，分別設(shè)計(jì)出ATF54143和SGL0622Z輸入、輸出阻抗匹配，ATF54143和SGL0622Z的單級(jí)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(hào)通過(guò)電容與電感相互隔離，保證相互之間沒(méi)影響。

圖7　最佳噪聲系數(shù)匹配電路

圖8　ATF54143單級(jí)放大電路

圖9　SGL0622Z單級(jí)放大電路

3綜合仿真及實(shí)際測(cè)試與分析

3.1　放大器帶寬的拓展

本設(shè)計(jì)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(jí)級(jí)聯(lián)的，原理圖根據(jù)實(shí)際情況，微帶線參數(shù)由電長(zhǎng)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(pán)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(duì)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(jì)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(hào)之間會(huì)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(guò)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(duì)穩(wěn)定，對(duì)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(jì)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(cè)試結(jié)果與分析

根據(jù)最后版圖設(shè)計(jì)而制作的電路測(cè)得的偏置電壓VDS=3.47 V，符合設(shè)計(jì)要求，然后通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和信號(hào)源分析儀測(cè)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(shí)，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(guò)長(zhǎng)期的測(cè)試，各項(xiàng)系數(shù)穩(wěn)定，沒(méi)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(jì)要求。

圖13　增益、S11 和S22實(shí)際測(cè)試結(jié)果

圖14　噪聲系數(shù)實(shí)際測(cè)試結(jié)果

4結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)射頻模塊系統(tǒng)要求設(shè)計(jì)了低噪聲放大器，對(duì)參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行了分析，通過(guò)仿真和測(cè)試分析，均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。比較目前現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方案，無(wú)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(shí)，本設(shè)計(jì)方案都是純軟件仿真，沒(méi)有版圖聯(lián)合仿真，更沒(méi)有實(shí)際測(cè)試電路，因此填補(bǔ)了這方面的空白，并為后續(xù)開(kāi)發(fā)提供必要的條件。

[1]萬(wàn)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(jì)[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.

[3]侯銘言.衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)低噪放的設(shè)計(jì)與研究[D].南京:南京理工大學(xué),2013:10-12.

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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(lèi)號(hào)：TN722.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-9146(2015)06-0023-05

通信作者：

作者簡(jiǎn)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(xiàng)目：浙江省公益技術(shù)應(yīng)用研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014C33096，2014C33095)

收稿日期：2014-11-06

DOI：10.13954/j.cnki.hdu.2015.06.005