隨著移動通信的普及,移動通信設備商之間競爭也更加激烈;各大通信巨頭為了搶奪市場,不斷提高基站的性能,降低基站的價格;低噪聲放大器是基站接收機的第一級,圖1 是典型的基站結構示意圖,從圖中可以看到低噪聲放大器位于接收機的最前端,因此對基站接收機來說,低噪聲放大器是十分關鍵的部件,它直接影響到整個接收鏈路的信噪比,對提高基站靈敏度有決定性影響。
安捷倫公司的A TF54143 是一種增強型偽高電子遷移率晶體管,不需要負柵極電壓,與耗盡型管相比較,可以簡化排版而且減少零件數,該晶體管最顯著的特點是低噪聲,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、無線本地環路、固定無線接入和其他高性能應用中的第一階和第二階前端低噪聲放大器電路中。
圖1 基站結構示意圖
1 仿真設計
本文采用安捷倫公司的A TF54143 設計低噪聲放大器,該低噪聲放大器主要指標為: 在810～850 MHz 范圍內達到增益大于17 dB ,噪聲系數小于018 ,輸入回波損耗大于15 dB ,輸出回波損耗大于12 dB ,輸出三階交調系數大于27 dBm。
1.1 晶體管模型低噪聲放大器
通常會在源極加電感來增加穩定性,穩定性設計對于任何放大器都是必需的,沒有設計成絕對穩定的放大器不能應用到產品中去的;影響低噪聲放大器穩定性的因素有很多,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式(2) 為:
加入源極電感不僅改善穩定性,也能改善輸入輸出匹配與噪聲系數,是設計低噪聲放大器非常重要的方法。
1.2 電路原理圖
根據原理圖,利用ADS 對電路進行S 參數仿真,為了提高仿真的準確性,電路元器件都采用了廠商提供的等效模型,同時將Rogers 的板材特性參數代入微帶線模型中。圖4 是用于ADS 的仿真原理圖。
圖4 仿真原理圖
通過ADS 仿真及最后的實際電路測試,我們發現該低噪聲放大器能夠較好的滿足設計要求。圖5是實際測試結果圖。圖中可以看出,實際測試數據與仿真結果比較一致。
1.3 仿真測量結果
根據技術指標要求,利用安捷倫的高級設計系統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,介電常數為3148 ,厚度為20 mil ;仿真結果如圖,從仿真2 低噪聲放大器的調試結果按照仿真結果,制成了PCB 樣板并通過網絡分析儀測試S 參數與噪聲測試見圖6 。圖5 是低噪聲放大器的實物圖。表2 是實測數據,從實測數據中可以看到,低噪聲放大器是絕對穩定的,且在帶內增益達到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, 噪聲系數維持在0185 dB ,實測數據與仿真數據并無太大差異,這也證明了仿真方法的正確性。結果可以看出低噪聲放大器的增益大于18 dB ,噪聲系數小于018 ,輸入回波損耗大于15 dB ,輸出回波損耗大于12 dB。
表1 仿真數據
2 低噪聲放大器的調試結果
按照仿真結果,制成了PCB 樣板并通過網絡分析儀測試S 參數與噪聲測試見圖6 。圖5 是低噪聲放大器的實物圖。表2 是實測數據,從實測數據中可以看到,低噪聲放大器是絕對穩定的,且在帶內增益達到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, 噪聲系數維持在0185 dB ,實測數據與仿真數據并無太大差異,這也證明了仿真方法的正確性。
表2 實測數據
圖5 低噪聲放大器實物
圖6 低噪聲放大器S 參數測量圖
從測試結果來看,低噪聲放大器的指標已基本符合CDMA 基站對第一級放大器的要求,考慮到實際應用中電子產品的特性會隨環境溫度變化而變化,因此對低噪聲放大器進行溫度特性測試是下一步工作,也是設計產品不可缺少的一環。
3 結束語
低噪聲放大器是基站接收機中的關鍵器件之一; 本文采用安捷倫公司的先進設計系統與A TF54143 ,通過對噪聲系數與輸入回波損耗的折中設計,進行共軛匹配,成功設計出低噪聲放大器。
其工作頻段的性能參數為:噪聲系數為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其進行測量,并經過高低溫與差異性測試,證明其完全能應用到實際產品中,目前準備應用于杭州某通信公司的產品中。
