WiMAX又稱(chēng)為802.16無(wú)線城域網(wǎng)，是又一種為企業(yè)和家庭用戶(hù)提供“最后一英里”的寬帶無(wú)線連接方案。因其能提供高速的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)以及對(duì)3G可能構(gòu)成的威脅，使WiMAX在最近一段時(shí)間備受業(yè)界關(guān)注。

低噪聲放大器是接收機(jī)的重要組成部分，它對(duì)降低接收鏈路的噪聲系數(shù)（NF），提高整個(gè)接收機(jī)的靈敏度起著至關(guān)重要的作用。由于它位于接收機(jī)的最前端，所以要求它具有很小的噪聲系數(shù)。為了抑制后級(jí)元件對(duì)噪聲系數(shù)的影響，又要求它具有合適的增益。

為了滿(mǎn)足2.5GHZ WiMAX應(yīng)用，要求該低噪聲放大器在工作頻段2.49～2.69GHz內(nèi)能有》14dB的增益，《1dB的噪聲系數(shù)。為了降低接收機(jī)成本，該低噪聲放大器基于低廉的FR4板材，并采用Avago的一款E-PHEMT（增強(qiáng)型偽高電子遷移率晶體管）ATF-551M4設(shè)計(jì)，ATF-551M4價(jià)格較ATF-54143更為便宜，同時(shí)ATF-551M4具有更低的漏級(jí)偏置電流，能夠有效降低接收機(jī)功耗。

1 輸入匹配電路設(shè)計(jì)

為了滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的噪聲系數(shù)，增益，同時(shí)獲得好的線性度，選取該器件溝道電流（Ids）為30mA，漏極到源極電壓為3V，根據(jù)ATF-551M4的datasheet3，該E-pHEMT晶體管具有如下典型值：

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。

可以看出最佳輸入匹配點(diǎn)S11*與最小噪聲匹配點(diǎn)Fopt相差比較遠(yuǎn)，所以我們不可能同時(shí)獲得較好的噪聲系數(shù)和輸入回?fù)p。實(shí)際上，由于LNA離天線比較近，為了保證天線口良好的駐波比，我們對(duì)低噪聲放大器的輸入回?fù)p要求比較高，因此，需將低噪聲放大器的輸入匹配到最佳匹配點(diǎn)S11*。然而，從圖2的Smith園圖中可以看出，如果匹配到S11*點(diǎn)，此時(shí)的NF只有1.25dB，沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

為了改善輸入回?fù)p與噪聲系數(shù)的矛盾，可以通過(guò)在源級(jí)引入負(fù)反饋以改變輸入阻抗。我們可以在ATF-551M4的源級(jí)增加兩段等長(zhǎng)的接地線，這兩段接地線等效為兩個(gè)小電感，為ATF-551M4提供負(fù)反饋。通過(guò)ADS可以對(duì)加入源級(jí)引線后S11*的變化進(jìn)行仿真（圖1）。設(shè)計(jì)中我們?nèi)∫€的寬度為0.25mm，圖2中分別是引線長(zhǎng)度為0mm，0.6mm，1.0mm情況下的S11*位置，結(jié)果表明，在源級(jí)引入負(fù)反饋能明顯的拉近S11*與Fopt的距離，改善輸入回?fù)p與噪聲系數(shù)的矛盾。線長(zhǎng)為0.6mm時(shí)，就能將噪聲系數(shù)提高到0.85dB以?xún)?nèi)。

圖1：引線長(zhǎng)度仿真原理圖。

圖2 S11*位置與Fopt

然而，負(fù)反饋的引入勢(shì)必會(huì)降低增益。為了達(dá)到噪聲系數(shù)要求并且不使增益降低太多，這里選取0.6mm的引線長(zhǎng)度。此時(shí)S11*=0.371∠114.3°，下面我們利用ADS對(duì)輸入進(jìn)行匹配。

由于低噪聲放大器的噪聲系數(shù)只與輸入有關(guān)，電阻匹配網(wǎng)絡(luò)適合寬帶放大，但是它們要消耗功率并增加噪聲，所以一般低噪聲放大器都采用近似無(wú)損耗的電抗匹配網(wǎng)絡(luò)。電容因?yàn)榫哂斜入姼懈〉牡刃Т?lián)電阻（ESR），更適合于做輸入匹配，對(duì)于Avago的這類(lèi)晶體管，比較常見(jiàn)的是采用串聯(lián)電容的匹配，但是在實(shí)際的電路設(shè)計(jì)中，串聯(lián)電容的位置不能隨便改變，因此不易于對(duì)輸入匹配進(jìn)行精確調(diào)試。在這里我們采用并聯(lián)電容加傳輸線做輸入匹配的結(jié)構(gòu)。這樣做的好處是，電路調(diào)試中，我們可以隨意的改變匹配電容值及電容的位置（相當(dāng)于改變傳輸線的長(zhǎng)度），以達(dá)到很好輸入匹配。利用ADS中的smith chart matching工具（圖3），可以計(jì)算得出具體的輸入匹配元件參數(shù)如圖4所示。

圖3：Smith園圖輸入匹配示意圖。

圖4 輸入匹配電路

可以取輸入電容C1=1.2pF。傳輸線的電長(zhǎng)度E=65.25°，在ADS的Linecalc工具中帶入FR4的電參數(shù)，可以計(jì)算得出傳輸線寬度0.5mm，長(zhǎng)度為12mm。

2 LNA電路原理圖

對(duì)于輸出匹配電路，這里直接采用了電阻進(jìn)行寬帶匹配。最終的電路原理圖如圖5所示。

圖5 LNA原理圖

C1，C3，C10是隔直電容。C2用于輸入匹配。R8，R9是輸出匹配，同時(shí)也引入了負(fù)反饋，提高了低噪放的穩(wěn)定性。C6，C9為帶內(nèi)射頻信號(hào)旁路電容，R5，R7，C4，C5，C7，C8用于抑制低頻信號(hào)，L1，L2提供直流饋電，LL1，LL2為兩個(gè)源級(jí)接地線，R1，R2，R3，R4，Q2給ATF551M4提供直流偏置。具體的電路元件參數(shù)見(jiàn)表1。

表1：優(yōu)化后的元器件參數(shù)。

3 ADS仿真結(jié)果及實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)

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FR4的板材特性參數(shù)代入微帶線模型中。圖6是用于ADS的仿真原理圖。

圖6 低噪聲放大器ADS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(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。圖7-10是最后的ADS仿真及實(shí)際測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖。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。該輸入回?fù)p在2.49～2.69GHz能夠達(dá)到-15dB以上，噪聲系數(shù)《0.95dB。增益》15dB，P1dB》0dB，OIP3》23dB。

圖7 穩(wěn)定性仿真結(jié)果與測(cè)試數(shù)據(jù)比較

圖8 輸入回?fù)p仿真結(jié)果與測(cè)試數(shù)據(jù)比較

圖9 噪聲系數(shù)仿真結(jié)果與測(cè)試數(shù)據(jù)比較

圖10 增益仿真結(jié)果與測(cè)試數(shù)據(jù)比較

4 結(jié)論

基于ADS仿真及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，該低噪聲放大器具有很好噪聲系數(shù)與增益，并且具有良好的線性度，完全可以應(yīng)用于WiMAX客戶(hù)端設(shè)備和基站，并且該電路設(shè)計(jì)方法適用于其他同類(lèi)型的低噪聲放大器的設(shè)計(jì)。

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