基于FR4板材和ATF-551M4实现低噪声放大器的设计
WiMAX又称为802.16无线城域网，是又一种为企业和家庭用户提供“最后一英里”的宽带无线连接方案。因其能提供高速的数据业务以及对3G可能构成的威胁，使WiMAX在最近一段时间备受业界关注。
低噪声放大器是接收机的重要组成部分，它对降低接收链路的噪声系数（NF），提高整个接收机的灵敏度起着至关重要的作用。由于它位于接收机的最前端，所以要求它具有很小的噪声系数。为了抑制后级元件对噪声系数的影响，又要求它具有合适的增益。
为了满足2.5GHZ WiMAX应用，要求该低噪声放大器在工作频段2.49～2.69GHz内能有》14dB的增益，《1dB的噪声系数。为了降低接收机成本，该低噪声放大器基于低廉的FR4板材，并采用Avago的一款E-PHEMT（增强型伪高电子迁移率晶体管）ATF-551M4设计，ATF-551M4价格较ATF-54143更为便宜，同时ATF-551M4具有更低的漏级偏置电流，能够有效降低接收机功耗。
1 输入匹配电路设计
为了满足系统设计要求的噪声系数，增益，同时获得好的线性度，选取该器件沟道电流（Ids）为30mA，漏极到源极电压为3V，根据ATF-551M4的datasheet3，该E-pHEMT晶体管具有如下典型值：
2.5GHz S11=0.690∠-131.0°，
3.0GHz S11=0.668∠-146.0°，
2.4GHz Fmin= 0.45 Fopt=0.33∠54°Rn/50=0.09。
3.0GHz Fmin= 0.52 Fopt=0.26∠79°Rn/50=0.09。
可以看出最佳输入匹配点S11*与最小噪声匹配点Fopt相差比较远，所以我们不可能同时获得较好的噪声系数和输入回损。实际上，由于LNA离天线比较近，为了保证天线口良好的驻波比，我们对低噪声放大器的输入回损要求比较高，因此，需将低噪声放大器的输入匹配到最佳匹配点S11*。然而，从图2的Smith园图中可以看出，如果匹配到S11*点，此时的NF只有1.25dB，没有达到设计要求。
为了改善输入回损与噪声系数的矛盾，可以通过在源级引入负反馈以改变输入阻抗。我们可以在ATF-551M4的源级增加两段等长的接地线，这两段接地线等效为两个小电感，为ATF-551M4提供负反馈。通过ADS可以对加入源级引线后S11*的变化进行仿真（图1）。设计中我们取引线的宽度为0.25mm，图2中分别是引线长度为0mm，0.6mm，1.0mm情况下的S11*位置，结果表明，在源级引入负反馈能明显的拉近S11*与Fopt的距离，改善输入回损与噪声系数的矛盾。线长为0.6mm时，就能将噪声系数提高到0.85dB以内。
图1：引线长度仿真原理图。
图2 S11*位置与Fopt
然而，负反馈的引入势必会降低增益。为了达到噪声系数要求并且不使增益降低太多，这里选取0.6mm的引线长度。此时S11*=0.371∠114.3°，下面我们利用ADS对输入进行匹配。
由于低噪声放大器的噪声系数只与输入有关，电阻匹配网络适合宽带放大，但是它们要消耗功率并增加噪声，所以一般低噪声放大器都采用近似无损耗的电抗匹配网络。电容因为具有比电感更小的等效串联电阻（ESR），更适合于做输入匹配，对于Avago的这类晶体管，比较常见的是采用串联电容的匹配，但是在实际的电路设计中，串联电容的位置不能随便改变，因此不易于对输入匹配进行精确调试。在这里我们采用并联电容加传输线做输入匹配的结构。这样做的好处是，电路调试中，我们可以随意的改变匹配电容值及电容的位置（相当于改变传输线的长度），以达到很好输入匹配。利用ADS中的smith chart matching工具（图3），可以计算得出具体的输入匹配元件参数如图4所示。
图3：Smith园图输入匹配示意图。
图4 输入匹配电路
可以取输入电容C1=1.2pF。传输线的电长度E=65.25°，在ADS的Linecalc工具中带入FR4的电参数，可以计算得出传输线宽度0.5mm，长度为12mm。
2 LNA电路原理图
对于输出匹配电路，这里直接采用了电阻进行宽带匹配。最终的电路原理图如图5所示。
图5 LNA原理图
C1，C3，C10是隔直电容。C2用于输入匹配。R8，R9是输出匹配，同时也引入了负反馈，提高了低噪放的稳定性。C6，C9为带内射频信号旁路电容，R5，R7，C4，C5，C7，C8用于抑制低频信号，L1，L2提供直流馈电，LL1，LL2为两个源级接地线，R1，R2，R3，R4，Q2给ATF551M4提供直流偏置。具体的电路元件参数见表1。
表1：优化后的元器件参数。
3 ADS仿真结果及实际测试数据
根据原理图，利用ADS对电路进行S参数仿真，为了提高仿真的准确性，电路元器件都采用了厂商提供的等效模型，同时将FR4的板材特性参数代入微带线模型中。图6是用于ADS的仿真原理图。
图6 低噪声放大器ADS仿真原理图
通过ADS仿真及最后的实际电路测试，我们发现该低噪声放大器能够较好的满足设计要求。图7-10是最后的ADS仿真及实际测试结果对比图。图中可以看出，实际测试数据与仿真结果比较一致。该输入回损在2.49～2.69GHz能够达到-15dB以上，噪声系数《0.95dB。增益》15dB，P1dB》0dB，OIP3》23dB。
图7 稳定性仿真结果与测试数据比较
图8 输入回损仿真结果与测试数据比较
图9 噪声系数仿真结果与测试数据比较
图10 增益仿真结果与测试数据比较
4 结论
基于ADS仿真及实测数据，该低噪声放大器具有很好噪声系数与增益，并且具有良好的线性度，完全可以应用于WiMAX客户端设备和基站，并且该电路设计方法适用于其他同类型的低噪声放大器的设计。
责任编辑：gtc
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