低噪聲放大器(LNA)是射頻收發(fā)機的一個重要組成部分，它能有效提高接收機的接收靈敏度，進而提高收發(fā)機的傳輸距離。因此低噪聲放大器的設(shè)計是否良好，關(guān)系到整個通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量。本文以晶體管ATF-54143為例，說明兩種不同低噪聲放大器的設(shè)計方法，其頻率范圍為2～2．2 GHz；晶體管工作電壓為3 V；工作電流為40 mA；輸入輸出阻抗為50 Ω。
1 定性分析
1．1 晶體管的建模
通過網(wǎng)絡(luò)可以查閱晶體管生產(chǎn)廠商的相關(guān)資料，可以下載廠商提供的該款晶體管模型，也可以根據(jù)實際需要下載該管的S2P文件。本例采用直接將該管的S2P文件導(dǎo)入到軟件中，利用S參數(shù)為模型設(shè)計電路。如果是第一次導(dǎo)入，則可以利用模塊S-Params進行S參數(shù)仿真，觀察得到的S參數(shù)與S2P文件提供的數(shù)據(jù)是否相同，同時，測量晶體管的輸入阻抗與對應(yīng)的最小噪聲系數(shù)，以及判斷晶體管的穩(wěn)定性等，為下一步驟做好準備。
1．2 晶體管的穩(wěn)定性
對電路完成S參數(shù)仿真后，可以得到輸入／輸出端的mu在頻率2～2．2 GHz之間均小于1，根據(jù)射頻相關(guān)理論，晶體管是不穩(wěn)定的。通過在輸出端并聯(lián)一個10 Ω和5 pF的電容，m2和m3的值均大于1，如圖1，圖2所示。晶體管實現(xiàn)了在帶寬內(nèi)條件穩(wěn)定，并且測得在2．1 GHz時的輸入阻抗為16．827-j16．041。同時發(fā)現(xiàn)，由于在輸出端加入了電阻，使得Fmin由0．48增大到0．573，Γopt為0．329∠125．99°，Zopt=(30．007+j17．754)Ω。其中，Γopt是最佳信源反射系數(shù)。
1．3 制定方案
如圖3所示，將可用增益圓族與噪聲系數(shù)圓族畫在同一個Γs平面上。通過分析可知，如果可用增益圓通過最佳噪聲系數(shù)所在點的位置，并根據(jù)該點來進行輸入端電路匹配的話，此時對于LNA而言，噪聲系數(shù)是最小的，但是其增益并沒有達到最佳放大。因此它是通過犧牲可用增益來換取的。在這種情況下，該晶體管增益可以達到14 dB左右，F(xiàn)min大約為0．48，如圖3所示。
另一種方案是在可用增益和噪聲系數(shù)之間取得平衡，以盡可能用小噪聲匹配為目標，采用在兼顧增益前提下的設(shè)計方案。在這種情況下該晶體管增益大約為15 dB左右，F(xiàn)min大約為0．7(見圖3)。這個就是本文中提到的第2種方案。
2 以最佳噪聲系數(shù)為設(shè)計目標方案的仿真
2．1 輸入匹配電路設(shè)計
對于低噪聲放大器，為了獲得最小的噪聲系數(shù)，Γs有個最佳Γopt系數(shù)值，此時LNA達到最小噪聲系數(shù)，即達到最佳噪聲匹配狀態(tài)。當(dāng)匹配狀態(tài)偏離最佳位置時，LNA的噪聲系數(shù)將增大。前面定性分析中已經(jīng)獲得Γopt=0．329∠125．99°，以及對應(yīng)的Zopt=30．007+j17．754 Ω。下面可以利用ADS的Passive Circuit／Micorstrip ControlWindow這個工具，自動生成輸入端口的匹配電路。
在原理圖中添加一個DA_SSMatehl的智能模塊，然后修改其中的設(shè)置：F=2．1 GHz，Zin=50 Ω。值得注意的是，利用該工具生成匹配電路時，Zload是Zopt的共軛。設(shè)置完畢后，再添加一個MSub的控件，該控件主要用于描述基板的基本信息，修改其中的設(shè)置為H=0．8 mm，Er=4．3，Mur=1，Cond=5．88×107，Hu=1．0e+33 mm，T=0．03 mil。設(shè)置完后，即可進行自動匹配電路的生成，結(jié)果電路如圖4所示。
將輸入匹配電路添加到圖1后再進行S參數(shù)的仿真?？梢钥吹剑罴言肼曄禂?shù)Γopt的位置由于輸入匹配電路的加入而成功匹配到50 Ω的位置。
2．2 輸出端匹配電路設(shè)計
根據(jù)最大功率增益原則進行輸出端匹配電路的設(shè)計(考慮到輸出穩(wěn)定電路的存在，對輸出阻抗的影響，在進行輸出阻抗測量時要把穩(wěn)定電路計算在內(nèi))，即將輸出阻抗(Zopt=8．055-j8．980，如圖5所示)使用上述的方法匹配到50 Ω。得到的輸出端匹配電路如圖6所示。
2．3 仿真結(jié)果
觀察最后的仿真結(jié)果可以看到，增益為14．4 dB；噪聲系數(shù)為0．586，這與穩(wěn)定后的晶體管最佳噪聲系數(shù)0．573非常接近，且增益平坦度低，穩(wěn)定性能優(yōu)異。具體性能指標如圖7所示。
3 以噪聲系數(shù)為主兼顧增益為設(shè)計目標方案的仿真
3．1 輸入匹配電路設(shè)計
如果選擇基板材料為環(huán)氧玻璃FR-4基板，介電常數(shù)為4．3，厚度為0．8 mm，則2．1 GHz時的晶體管輸入阻抗為1 6．827-j16．041。采用上述匹配電路生成方法，輸入匹配電路采用ADS設(shè)計向?qū)е械膯沃Ч?jié)模塊來設(shè)計?？梢院芸斓玫綀D8中的匹配電路。如圖9所示，圖中m6=50(0．927+j0．001)。與50 Ω的非常接近，所以得出的輸入端匹配情況比較合理。
3．2 輸出匹配電路設(shè)計
在完成輸入匹配電路設(shè)計之后，可以對輸出匹配電路進行設(shè)計。在此充分發(fā)揮CAD軟件的優(yōu)勢，借助優(yōu)化的方法來實現(xiàn)?；具^程如下：
將輸入匹配電路的結(jié)果添加到圖10中，并在晶體管輸出端添加如圖所示的微帶。調(diào)出優(yōu)化控件，并將優(yōu)化的目標設(shè)置為dB(S(11))為-20，dB(S(22))為-15。
在優(yōu)化開始時，先將TL1，TL2，TL3寬度設(shè)置為61．394 mil，這是為了保障在考慮到板材、板材厚度等因素下微帶線的特性阻抗為50 Ω。預(yù)設(shè)TL1，TL2，TL3的長度，優(yōu)化一次后，刷新結(jié)果，觀察各種圖表的指標是否更好，數(shù)值是否達到設(shè)置的最大值，如果達到最大值，再次改變設(shè)置值重新優(yōu)化。反復(fù)多次后，將會達到再次改變這幾個數(shù)值，若改變后對于各種指標作用不大，可以嘗試改變電阻和輸入匹配的數(shù)值再進行優(yōu)化。
通過多次調(diào)試發(fā)現(xiàn)，R1設(shè)為15 Ω，以及加上TL7后，增益和噪聲系數(shù)以及輸入輸出駐波比效果更好。仿真電路原理圖及優(yōu)化控件和目標控件如圖10所示。
3．3 仿真結(jié)果
觀察最后的仿真結(jié)果可以看到，增益為15．816 dB；噪聲系數(shù)為0．708，該指標均比定性分析時的都要好，其他性能指標如圖11所示。
4 結(jié)語
通過對晶體管進行定性分析，可以根據(jù)實際需要選擇低噪聲前置放大器的設(shè)計方案，第一種方案的最佳噪聲系數(shù)是以犧牲增益而得到的；第二種方案是以提高噪聲系數(shù)為代價，降低駐波比VSWR的值得到的。2種方法利用計算機輔助設(shè)計工具均可以快速實現(xiàn)，各有各自的存在價值，這在很多場合都得到了應(yīng)用。