基于ATF54143的2.45 GHz低噪声放大器设计

张聚栋，刘景萍，吴 磊，王 倩

（南京理工大学 电子工程与光电技术学院，江苏 南京 210094）

基于ATF54143的2.45 GHz低噪声放大器设计

张聚栋，刘景萍，吴 磊，王 倩

（南京理工大学 电子工程与光电技术学院，江苏 南京 210094）

为了实现低噪声放大器（LNA）同时实现低噪声、高增益及高线性度的目的，采用了偏置电路、最小噪声匹配及最大输出增益匹配相结合的方案。ATF54143工作在（3 V，60 mA）使其具有极高线性度，整体电路由ADS优化。实物测试结果显示，放大器各项指标达到要求并具有低噪声、高增益、线性度好等特点。该放大器可应用于S波段无线局域网等相关领域，具有很好的实用价值。

低噪声放大器；噪声系数；阻抗匹配；线性度

伴随着通信系统的快速发展，人们对通信工具的作用距离和覆盖范围等方面的要求越来越高[1]，这就间接地对通信系统的灵敏度1等指标提出了更高的要求。因此研究如何提高通信系统的灵敏度成为重要的课题。低噪声放大器作为无线通信、雷达和电子对抗等系统的第一级电路，噪声和增益可以直接影响整体系统的灵敏度和噪声系数[2]。所以低噪声放大器作为天线的下一级在放大过程中不仅要有低噪声而且要有高增益[3]。低噪声放大器设计的重点在于解决低噪声与高增益之间的矛盾，保证从天线接收下来的微弱信号不会被噪声淹没并解调出有用信息，又要保证放大后的信号能够作为后级的驱动[4]。

如今高科技产品不断地更新换代，市面对低噪声放大器的要求在向着低噪声、高增益、高线性度的方向发展[5]。所以研究一种性能强、尺寸小的低噪声放大器具有重要意义。

1 电路设计思路

低噪声放大器常见设计主要有单级放大器结构和平衡式放大器结构。平衡式放大器是利用两个性能相同的单级放大器和两个3dB定向耦合器组成。平衡式放大器与单级放大器相比容易匹配所以更容易达到最小噪声系数和输入输出良好匹配。虽然平衡式放大器在可靠性、稳定性等方面优于单级放大器，但是平衡式放大器在成本和尺寸方面都是单级放大器的两倍，而且研制周期要长。两种结构的噪声系数是相同的也就是最小检测电平是相同的。虽然到现在为止还没有阻抗匹配达到理想状态的标准规则，但射频电路设计者一般认为当输入输出反射系数小于-10dB的时候认为匹配良好[6]。这在单级低噪声放大器还是比较容易做到的，故在本设计中采用单级低噪声放大器设计。

设计低噪声放大器需要综合考虑多个指标，比如高增益、低噪声系数、低驻波比、适当的增益平坦度等等[7]。但是有些指标在设计过程中会出现矛盾的状况，比如要实现小的噪声系数就必须舍弃高增益，反之亦然。所以在设计优化过程中在满足指标条件的情况下要足够低的噪声和尽够的高增益。综合所有指标将电路设计框图如图1所示。

图1 低噪声放大器电路框图

2 指标设计基本思想

低噪声放大器（LNA）在射频接收机前端电路中起着不可或缺的作用。低噪声放大器的主要作用是将天线从空中接收到的信号进行放大，是一个小信号放大器[8]。根据接收机灵敏度公式

噪声系数NF在带宽BW信噪比确定的情况下对整个接收机灵敏度起到了决定性作用[2]。根据多级级联放大器的噪声系数公式（2）

可以看出位于第一级的LNA的噪声系数NF1和增益G2对整个系统的噪声系数和灵敏度起到决定性作用[8]。所以低噪声放大器的噪声系数在设计过程中重要的设计指标。而信噪比变坏的倍数就是相应的噪声系数。根据公式（3）

其中NFmin是由晶体管自身决定的最小噪声系数，Rn为晶体管等效噪声电阻，Γs和Γopt分别表示晶体管输入端的源反射系数和获得NFmin的源最佳反射系数[10]。可以看到，噪声系数与源反射系数相关，而与负载阻抗没有关系。低噪声放大器的增益不仅与管子的跨导相关，并且与负载相关，为了实现大的增益在进行输出匹配的时候要按照最大增益进行匹配[9]。

低噪声放大器器件的选择是设计电路的第一步。经过对工作频率和噪声等方面的考虑，其中尤其考虑了噪声参数，选用了低噪声系数的高电子迁移管ATF54143。ATF54143与其他器件相比具有噪声低、功率小并且更适合小信号放大的特点。在对ATF54143进行偏置电路设计时，经过对噪声系数和线性度的综合考虑之后[11]，将ATF54143直流工作点定为VGS=0.59 V、VDS=3 V、Ids=60 mA。与VDS=3 V、Ids= 40 mA相比，虽然噪声系数会稍大，但是线性度有很大提高。设计低噪声放大器过程时一定要保证低噪声放大器工作在稳定状态，否则低噪声放大器就会相当于振荡器。根据微波管射频绝对稳定条件，要想使得低噪声放大器工作在稳定条件下，需要使得

（4）、（5）、（6）同时满足[1]。在本设计中，通过采用在ATF54143源极加负反馈的方式使K值在整个工作频率内都大于1，使得低噪声放大器在设计频带内达到稳定效果。

在选择相应的分立器件构架电路时，尽可能使得相应电容电感的谐振频率发生在2.45GHz，使得电容在工作频率处阻抗无限小而电感阻抗在工作频率处无限大。经过ADS仿真优化得到最后的总体电路图如图2所示。

图2 低噪声放大器总体电路图

在电路中，ATF54143偏置采用占用面积小的无源偏置来简化电路设计。供电电压为+5 V，由电阻R1、R4和 R5进行分压提供 ATF54143栅极漏极偏压。其中L1、L2、C3和C4等效为高通滤波电路进行分析并且取值由ADS仿真得到，其中L1、L2电感为扼流圈抑制高频信号进入偏置电路，C3和C4电容对高频信号进行旁路。电阻R1通过提供低频阻性终端与电容C1提供低频通道。其中，R3为ATF54143的栅极保护电阻。Vcc为工作+5 V电压，C2为去耦电容，Term1和Term2为50Ω的输入输出端口。C5和C6为隔直电容防止直流信号进入仪器造成损坏。输入和输出匹配采用了纯微带线匹配，其中Tee1、TL2和TL1构成单枝短截微带线输入匹配，TL3和TL4构成微带线输出匹配。TL5和TL6为ATF54143提供负反馈使得低噪声放大器在工作频率状态下处于稳定状态。TL5和TL6的取值需要通过如下方法得到。首先考虑到噪声的影响，所以在ATF54143源端加电感进行负反馈。由于电感值的极小变化对低噪声放大器的增益和稳定性会造成极大影响[12]，考虑到实际电感的误差以及微带线的高加工精度，选择将电感值转换为等效微带线。等效微带线宽度采用ATF54143最宽源极0.65mm进行设计。等效微带线长度的计算公式如下：

其中，ω=2πt是角频率；l为微带线长度，单位是m；Z是微带线特性阻抗，由ADS2011中的LineCalculation工具计算得到。

3 实物制作与测量

在选择电路板材的时候，考虑到低噪声放大器的低噪声特点需要选用损耗比较小的板材，损耗的大小与板材的损耗角正切值tanδ有关[13]。一般来说，选择板材参数的tanδ越小，抗噪性越好，频率越高抗噪特性就明显[14]。FR4是常用的高频电路板，但tanδ=0.02相对低噪声放大器的低噪声系数要求来说损耗角较大，故选用Rogers公司的RO4003C，其参数为tanδ=0.0027、εr=3.38并且板厚为0.508mm。电路制作的版图和实物图如图3所示。

图4所示的测量数据是由矢量网络分析仪、噪声系数分析仪以及频谱仪等仪器共同测量得到的结果。从图中可以看出，在工作频率2.4～2.5 GHz内，实际测量S11<-12 dB，S22<-14 dB，并且隔离性能良好。噪声系数在中心频率2.45 GHz出可以达到0.75 dB。1 dB压缩点实际测量的输入功率为5 dBm，输出功率为17 dBm左右。这是因为根据ATF54143的Datasheet，静态工作点3 V、60 mA下的低噪声放大器与工作在静态工作点3 V、40 mA相比虽然噪声系数会有所提高，但是线性度好很多。

通过低噪声放大器的测量数据来看，输入反射系数和输出反射系数比仿真结果有所恶化，并会有一定频率的偏移，噪声测量结果也比仿真结果要大，线性度要好一点。出现这样的误差主要是以下方面：1）用ADS仿真的ATF54143模型与实际生产的器件有一定的误差，不同批次的ATF54143以漏极电流为准；2）实际焊接过程中采用的电容电感并非是仿真中采用的Murata元件，较大的寄生效应会影响测量结果；3）测试过程屏蔽效果不好，并且测试所在的环境和温度对实际电路的噪声由极大的影响，具体表现为测量环境越高误差越大，待测放大器噪声系数越小误差越大；4）生产加工工艺和焊接不好导致的寄生效应和分布参数的影响[15]。通过测量表示，测量指标基本满足设计要求。

图3 低噪声放大器版图和实物图

4 结束语

文中设计一种基于ATF54143的S波段低噪声放大器，偏置选择了噪声小线性高时的工作点，具有尺寸小、噪声小、增益大、线性度高等特点。电路整体由ADS仿真优化并经实物调试测量得到。在工作频率内，S11<-12dB，S22<-14dB，噪声系数NF=0.75dB，具有高线性度。测量结果表明，该放大器可满足无线局域网IEEE802.11b标准、北斗系统等应用领域要求。

[1]徐兴福.ADS2011射频电路设计与仿真实例[M].北京:电子工业出版社，2014.

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图4 仿真与实测结果对照

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Design of low noise amplifier for 2.45GHz based on ATF54143

ZHANG Ju-dong，LIU Jing-ping，WU Lei，WANG Qian
（School of Electronic Engineering and Optical Technology，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China）

In order to satisfy the LNA's requirement of low noise and high gain，a scheme which combines the biascircuit，the minimum noise matching and the maximum output gain matching is used. ATF54143 work in（3V，60mA）so that it has high linearity.The whole circuit was optimized by ADS.The testing results show that the amplifier of the indicators to achieve the basic requirements and with low noise，high gain，good linearity and so on.The amplifier which has good practical value can be used in wireless local area network and other related fields for S-band.

low noise amplifier；noise figure；impedance match；linearity

TN722.3

：A

：1674-6236（2017）08-0131-04

2016-07-07稿件编号：201607057

国防预研基金资助项目（9140A05030314BQ02071）

张聚栋（1992—），男，山东潍坊人，硕士。研究方向：射频电路设计。