基于ATF54143的微波LNA设计方案

摘要：本论文采用ADS2011仿真软件，使用Avago公司的ATF54143晶体管作为主要器件，设计了频率范围为2.35～2.45GHz、中心频率为2.4GHz的LNA，其性能指标为：噪声系数<1dB，增益>13dB，输入输出驻波比<2，基本上达到了预期的效果。设计过程分为四步。第一步是在明确放大器的性能指标后选择晶体管，然后进行直流偏置电路的设计。第二步是放大器的稳定性分析与设计。第三步就是放大器电路的输入和输出匹配。输入匹配电路以最小噪声系数来匹配网络，输出匹配电路以最大增益来匹配网络。第四步就是电路设计完成之后进行电路的优化和改进，以达到放大器的设计目标。最后是画原理图和采用Altium Design软件完成电路的PCB版图制作、电路调试以及实物制作。

0 引言

随着无线通信业务的不断发展，人们对无线系统的射频接收机提出了越来越高的要求，如低功耗、低噪声等。因此，处于射频接收系统最前端的LNA(LNA)对于提高系统性能起到了关键作用，其性能指标的好坏对接收机整体性能有很大的影响。

LNA主要对天线接收来的弱信号进行放大，并且要把功率电平增加到后级所需要的标准，这意味着LNA必须有低噪声特点，弱信号才不会被噪声所淹没;其次LNA还要有高增益特点，输出才能驱动后级电路，也为了抑制后面各级电路噪声对整个系统的影响。

另一方面，LNA一般是通过传输线和天线相连，放大器必须与之有良好的阻抗匹配，以达到最大的传输功率和最小的噪声系数。但往往微波放大器的最大增益和最小噪声系数不能同时拥有，这需要设计者在最大增益和最小噪声系数之间权衡。

本论文采用ADS2011仿真软件，使用Avago公司的ATF54143晶体管作为主要器件，设计了一款频率范围为2.35～2.45GHz、中心频率为2.4GHz的LNA，其性能指标为：噪声系数<1dB，增益>13dB，输入输出驻波比<2，并做出实物以及通过测试基本上达到了预期的效果。

1 微波LNA设计

本设计采用Avago公司的高电子迁移率晶体管(PHEMT)ATF54143芯片进行LNA设计。本设计采用安捷伦(Agilent)公司开发的ADS(Advanced Design System)2011完成设计仿真。完成该放大器设计，需要以下几个步骤：下载安装相应的元件库;直流偏置设计;稳定性分析;噪声系数分析;输入、输出匹配;参数优化。

ATF54143芯片具有高增益、高线性度以及低噪声的特性，适用于450MHz～6GHz频段无线系统的LNA电路中。ATF54143在工作频率为2.4 GHz、电压在3V、电流为40mA时，最小噪声为0.51dB，最大增益为16dB。

设计一个LNA第一步是确定晶体管的静态工作点。按设计出的偏置电路添加元件并设计相应参数，得到LNA基本电路原理图，如图1所示。

接着要对电路进行稳定性分析。为了保证系统稳定，常用的方法是添加负反馈，所以在ATF54143的两个源级(S级)两端添加小电感作为负反馈。通过调节反馈电感值，使其在整个工作频率范围内稳定，得到L值为0.3nH，仿真结果如图2所示。

从图中可知添加反馈电感为0.3nH后，稳定系数在2.4G时为1.003>1，此时可以判定为放大器工作稳定。

然后进行噪声系数分析，画出噪声系数圆和增益圆的Smith圆图，如图3所示。

从图中可以看出放大器的噪声系数最小值和最大增益不重合，最小噪声系数为0.445dB，最大增益为16.283dB。

接着进行输入输出阻抗匹配。由于噪声系数最小值和最大增益不重合，在设计输入阻抗时第一级往往按最小噪声系数来设定。从噪声圆图中可以看出最小噪声系数时输入阻抗为22.925-i*11.346，为了达到最小噪声系数，在晶体管的输入端需要满足最佳源反射系数Γout的要求，而整个电路的输入阻抗为Z0=50 Ω，所以需要添加输入匹配网络达到Z0到22.925-i*11.346的变化。最后得到输入匹配后的仿真结果，如图4所示。

从图4中可以看出输入噪声系数达到了最小值。说明此时电路输入端匹配很好。输出匹配最终目的是尽可能达到最大的增益。

需要注意的是由于放大器属于二端口网络，输出阻抗会影响到输入阻抗，所以当设计好输出匹配后输入匹配会有所偏离，此时需要通过Tuning优化工具进行优化以达到最佳参数。在优化前先将电路中的微带线实际添加到电路。在原理图中把计算出的实际长度代替理想微带线，同时在电源端添加几个分立电容滤波，电源口开始加入3个电容，分别是1 μF、0.01 μF、10pF。经过Tuning工具进行最后的优化，经过择优确定最后的参数。得到最终的仿真结果如图5所示。

综合以上各图可知，在2.35～2.45GHz范围内，S21的值在16.22到15.98dB之间，S11和S22的值均小于-10dB，因此增益符合技