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WiMAX又稱為802.16無線城域網，是又一種為企業和家庭用戶提供“最后一英里”的寬帶無線連接方案。因其能提供高速的數據業務以及對3G可能構成的威脅，使WiMAX在最近一段時間備受業界關注。 低噪聲放大器是接收機的重要組成部分，它對降低接收鏈路的噪聲系數(NF)，提高整個接收機的靈敏度起著至關重要的作用。由于它位于接收機的最前端，所以要求它具有很小的噪聲系數。為了抑制后級元件對噪聲系數的影響，又要求它具有合適的增益。 為了滿足2.5GHZ WiMAX應用，要求該低噪聲放大器在工作頻段2.49～2.69GHz內能有>14dB的增益，<1dB的噪聲系數。為了降低接收機成本，該低噪聲放大器基于低廉的FR4板材，并采用Avago的一款E-PHEMT(增強型偽高電子遷移率晶體管)ATF-551M4設計，ATF-551M4價格較ATF-54143更為便宜，同時ATF-551M4具有更低的漏級偏置電流，能夠有效降低接收機功耗。 1 輸入匹配電路設計 為了滿足系統設計要求的噪聲系數，增益，同時獲得好的線性度，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S11*與最小噪聲匹配點Fopt相差比較遠，所以我們不可能同時獲得較好的噪聲系數和輸入回損。實際上，由于LNA離天線比較近，為了保證天線口良好的駐波比，我們對低噪聲放大器的輸入回損要求比較高，因此，需將低噪聲放大器的輸入匹配到最佳匹配點S11*。然而，從圖2的Smith園圖中可以看出，如果匹配到S11*點，此時的NF只有1.25dB，沒有達到設計要求。 為了改善輸入回損與噪聲系數的矛盾，可以通過在源級引入負反饋以改變輸入阻抗。我們可以在ATF-551M4的源級增加兩段等長的接地線，這兩段接地線等效為兩個小電感，為ATF-551M4提供負反饋。通過ADS可以對加入源級引線后S11*的變化進行仿真(圖1)。設計中我們取引線的寬度為0.25mm，圖2中分別是引線長度為0mm，0.6mm，1.0mm情況下的S11*位置，結果表明，在源級引入負反饋能明顯的拉近S11*與Fopt的距離，改善輸入回損與噪聲系數的矛盾。線長為0.6mm時，就能將噪聲系數提高到0.85dB以內。 
圖1：引線長度仿真原理圖。
圖2 S11*位置與Fopt 然而，負反饋的引入勢必會降低增益。為了達到噪聲系數要求并且不使增益降低太多，這里選取0.6mm的引線長度。此時S11*=0.371∠114.3°，下面我們利用ADS對輸入進行匹配。 由于低噪聲放大器的噪聲系數只與輸入有關，電阻匹配網絡適合寬帶放大，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損耗的電抗匹配網絡。電容因為具有比電感更小的等效串聯電阻(ESR)，更適合于做輸入匹配，對于Avago的這類晶體管，比較常見的是采用串聯電容的匹配，但是在實際的電路設計中，串聯電容的位置不能隨便改變，因此不易于對輸入匹配進行精確調試。在這里我們采用并聯電容加傳輸線做輸入匹配的結構。這樣做的好處是，電路調試中，我們可以隨意的改變匹配電容值及電容的位置(相當于改變傳輸線的長度)，以達到很好輸入匹配。利用ADS中的smith chart matching工具(圖3)，可以計算得出具體的輸入匹配元件參數如圖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。傳輸線的電長度E=65.25°，在ADS的Linecalc工具中帶入FR4的電參數，可以計算得出傳輸線寬度0.5mm，長度為12mm。 2 LNA電路原理圖 對于輸出匹配電路，這里直接采用了電阻進行寬帶匹配。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，同時也引入了負反饋，提高了低噪放的穩定性。C6，C9為帶內射頻信號旁路電容，R5，R7，C4，C5，C7，C8用于抑制低頻信號，L1，L2提供直流饋電，LL1，LL2為兩個源級接地線，R1，R2，R3，R4，Q2給ATF551M4提供直流偏置。具體的電路元件參數見表1。
表1：優化后的元器件參數。 3 ADS仿真結果及實際測試數據 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FR4的板材特性參數代入微帶線模型中。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7-10是最后的ADS仿真及實際測試結果對比圖。圖中可以看出，實際測試數據與仿真結果比較一致。該輸入回損在2.49～2.69GHz能夠達到-15dB以上，噪聲系數<0.95dB。增益>15dB，P1dB>0dB，OIP3>23dB。
圖7 穩定性仿真結果與測試數據比較
圖8 輸入回損仿真結果與測試數據比較
圖9 噪聲系數仿真結果與測試數據比較
圖10 增益仿真結果與測試數據比較 4 結論 基于ADS仿真及實測數據，該低噪聲放大器具有很好噪聲系數與增益，并且具有良好的線性度，完全可以應用于WiMAX客戶端設備和基站，并且該電路設計方法適用于其他同類型的低噪聲放大器的設計。 |
