隨著移動(dòng)通信的普及,移動(dòng)通信設(shè)備商之間競(jìng)爭(zhēng)也更加激烈;各大通信巨頭為了搶奪市場(chǎng),不斷提高基站的性能,降低基站的價(jià)格;低噪聲放大器是基站接收機(jī)的第一級(jí),圖1 是典型的基站結(jié)構(gòu)示意圖,從圖中可以看到低噪聲放大器位于接收機(jī)的最前端,因此對(duì)基站接收機(jī)來(lái)說(shuō),低噪聲放大器是十分關(guān)鍵的部件,它直接影響到整個(gè)接收鏈路的信噪比,對(duì)提高基站靈敏度有決定性影響。
安捷倫公司的A TF54143 是一種增強(qiáng)型偽高電子遷移率晶體管,不需要負(fù)柵極電壓,與耗盡型管相比較,可以簡(jiǎn)化排版而且減少零件數(shù),該晶體管最顯著的特點(diǎn)是低噪聲,并具有高增益、高線性度等特性,他特別適用于工作頻率范圍在450 MHz ～6 GHz 之間的蜂窩/ PCS/ WCDMA 基站、無(wú)線本地環(huán)路、固定無(wú)線接入和其他高性能應(yīng)用中的第一階和第二階前端低噪聲放大器電路中。
圖1 基站結(jié)構(gòu)示意圖
1 仿真設(shè)計(jì)
本文采用安捷倫公司的A TF54143 設(shè)計(jì)低噪聲放大器,該低噪聲放大器主要指標(biāo)為: 在810～850 MHz 范圍內(nèi)達(dá)到增益大于17 dB ,噪聲系數(shù)小于018 ,輸入回波損耗大于15 dB ,輸出回波損耗大于12 dB ,輸出三階交調(diào)系數(shù)大于27 dBm。
1.1 晶體管模型低噪聲放大器
通常會(huì)在源極加電感來(lái)增加穩(wěn)定性,穩(wěn)定性設(shè)計(jì)對(duì)于任何放大器都是必需的,沒(méi)有設(shè)計(jì)成絕對(duì)穩(wěn)定的放大器不能應(yīng)用到產(chǎn)品中去的;影響低噪聲放大器穩(wěn)定性的因素有很多,其中源極電感是其中之一。
圖2 是未加源極電感的FET 晶體管的等效原理圖。
圖2 未加源極電感的FET 等效原理圖
由圖可知輸入等效阻抗的表達(dá)式為式(1) :
圖3 是加上源極電感的FET 等效原理圖。
圖3 添加源極電感的FET 等效圖
從原理圖中可知輸入等效阻抗表達(dá)式(2) 為:
加入源極電感不僅改善穩(wěn)定性,也能改善輸入輸出匹配與噪聲系數(shù),是設(shè)計(jì)低噪聲放大器非常重要的方法。
1.2 電路原理圖
根據(jù)原理圖,利用ADS 對(duì)電路進(jìn)行S 參數(shù)仿真,為了提高仿真的準(zhǔn)確性,電路元器件都采用了廠商提供的等效模型,同時(shí)將Rogers 的板材特性參數(shù)代入微帶線模型中。圖4 是用于ADS 的仿真原理圖。
圖4 仿真原理圖
通過(guò)ADS 仿真及最后的實(shí)際電路測(cè)試,我們發(fā)現(xiàn)該低噪聲放大器能夠較好的滿足設(shè)計(jì)要求。圖5是實(shí)際測(cè)試結(jié)果圖。圖中可以看出,實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果比較一致。
1.3 仿真測(cè)量結(jié)果
根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求,利用安捷倫的高級(jí)設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件仿真了工作頻段在810～850 MHz 范圍的低噪聲放大器,采用ROGES 公司的高頻線路板,介電常數(shù)為3148 ,厚度為20 mil ;仿真結(jié)果如圖,從仿真2 低噪聲放大器的調(diào)試結(jié)果按照仿真結(jié)果,制成了PCB 樣板并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試S 參數(shù)與噪聲測(cè)試見(jiàn)圖6 。圖5 是低噪聲放大器的實(shí)物圖。表2 是實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中可以看到,低噪聲放大器是絕對(duì)穩(wěn)定的,且在帶內(nèi)增益達(dá)到1815 dB 以上,輸入回波損耗20 dB 以上,輸出回波損耗為15 dB 左右, 噪聲系數(shù)維持在0185 dB ,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)并無(wú)太大差異,這也證明了仿真方法的正確性。結(jié)果可以看出低噪聲放大器的增益大于18 dB ,噪聲系數(shù)小于018 ,輸入回波損耗大于15 dB ,輸出回波損耗大于12 dB。
表1 仿真數(shù)據(jù)
2 低噪聲放大器的調(diào)試結(jié)果
按照仿真結(jié)果,制成了PCB 樣板并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試S 參數(shù)與噪聲測(cè)試見(jiàn)圖6 。圖5 是低噪聲放大器的實(shí)物圖。表2 是實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中可以看到,低噪聲放大器是絕對(duì)穩(wěn)定的,且在帶內(nèi)增益達(dá)到1815 dB 以上,輸入回波損耗20 dB 以上,輸出回波損耗為15 dB 左右, 噪聲系數(shù)維持在0185 dB ,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)并無(wú)太大差異,這也證明了仿真方法的正確性。
表2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)
圖5 低噪聲放大器實(shí)物
圖6 低噪聲放大器S 參數(shù)測(cè)量圖
從測(cè)試結(jié)果來(lái)看,低噪聲放大器的指標(biāo)已基本符合CDMA 基站對(duì)第一級(jí)放大器的要求,考慮到實(shí)際應(yīng)用中電子產(chǎn)品的特性會(huì)隨環(huán)境溫度變化而變化,因此對(duì)低噪聲放大器進(jìn)行溫度特性測(cè)試是下一步工作,也是設(shè)計(jì)產(chǎn)品不可缺少的一環(huán)。
3 結(jié)束語(yǔ)
低噪聲放大器是基站接收機(jī)中的關(guān)鍵器件之一; 本文采用安捷倫公司的先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)與A TF54143 ,通過(guò)對(duì)噪聲系數(shù)與輸入回波損耗的折中設(shè)計(jì),進(jìn)行共軛匹配,成功設(shè)計(jì)出低噪聲放大器。
其工作頻段的性能參數(shù)為:噪聲系數(shù)為0185 ,P1 dB約為16 dBm ,輸入回波損耗大于20 ,輸出回波損耗大于14 ,增益保持在18 dB 以上。得到了最終的版圖并且對(duì)其進(jìn)行測(cè)量,并經(jīng)過(guò)高低溫與差異性測(cè)試,證明其完全能應(yīng)用到實(shí)際產(chǎn)品中,目前準(zhǔn)備應(yīng)用于杭州某通信公司的產(chǎn)品中。
