800MHz CDMA低噪声放大器设计与仿真

(上饶师范学院 物理与电子信息学院，江西 上饶 334001)

码分多址(CDMA)是在扩频通信基础上发展起来的一种无线通信技术。CDMA技术的基本原理是：将需传送的具有一定信号带宽的信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号带宽被扩展，再经载波调制并发送出去；接收端使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。CDMA具有频谱利用率高、话音质量好、保密性强、掉话率低、电磁辐射小、容量大、覆盖广等特点，广泛应用于800MHz和1.9GHz超高频(UHF)移动通信系统[1]。

在放大微弱信号的场合，放大器自身的噪声对信号的干扰可能很严重，因此希望减小这种噪声，以提高输出信噪比。低噪声放大器(LNA)，是一种噪声系数很低的微弱信号放大器，广泛应用于无线电接收机的高频前置放大电路，以及高灵敏度电子探测设备的放大电路[2]。

本文设计了一款基于ATF54143晶体管的低噪声、高增益LNA电路，应用于800MHz CDMA基站接收机前端。在安捷伦公司ADS软件环境下，以噪声系数、增益、输入输出回波损耗、稳定系数等为目标设计并优化了电路，通过S参数仿真得到的各性能参数均达到了指标要求。

1 电路设计与仿真

1.1 器件选择

根据800MHz CDMA基站接收链路预算，前端低噪声放大器应达到以下指标：工作频段内，噪声系数<0.5dB，增益>16 dB，输入回波损耗<-10dB，输出回波损耗<-15dB。

考虑上述要求，选择Agilent公司的增强型伪高电子迁移率晶体管(E-PHEMT)ATF54143进行LNA设计。该器件具有低噪声、高增益、高线性度等特点，适用于450MHz～6GHz频率范围内的蜂窝/PCS基站、WLAN、无线本地环路、MMDS等[3]。此外，Agilent公司为该产品提供了精确的小信号器件模型，可直接导入ADS软件，用于仿真模型的建立。

1.2 偏置条件

根据DATASHEET可知，ATF54143工作时不需要负的栅极电压，因此采用单电源供电方式。

另外，设置VDS=3V、VGS=0.5V、IDS=60mA的直流偏置条件，能够满足放大器设计的要求。

1.3 稳定性设计

晶体管内部存在着反馈，反馈量的大小取决于一定的工作频率和偏置条件下的S参数。当反馈量达到一定程度时，会引起放大器的输入阻抗出现负实部(负阻)。这是由正反馈引起的，由振荡器理论可知，这会引起自激振荡，使电路处于不稳定状态。

因此，在设计匹配电路前，先要判断晶体管是否绝对稳定。放大器绝对稳定的充分必要条件是[4]：

(1)

|△|=|S11S22-S12S21|<1

(2)

(1)、(2)式，经推导，可等价于[5]：

(3)

μ对应于ADS软件中的Mu值。通过S参数仿真，对器件ATF54143进行稳定性分析，得到Mu值曲线如图1所示。

图1稳定性仿真曲线

由图1可知，该管在810MHz～850MHz工作频段内Mu值均小于1，所以必须对电路进行稳定性设计。可以在放大器的输入端串联电阻，对放大器的输入阻抗进行补偿，使其变为正值，来达到改善稳定性的目的，但这样会引入额外的噪声。综合考虑，我们这里采用对噪声系数牺牲较小的源极负反馈法[6]，就是在源极和地之间串接电感，适当的反馈可以抵消晶体管内部的反馈，达到稳定的目的。由于电路工作频率很高，因此所需电感的值非常微小。实际电路中，我们使用微带线来代替微小的电感，如图2所示。其中，TL1、TL2是晶体管源极所串接的两条微带线。

图2源极串接微带线

在仿真中，改变微带线尺寸，Mu值也随之改变。优化微带线尺寸时需注意，Mu值不可过高，否则会牺牲放大器增益。此外，发现无论如何优化微带线尺寸，只能实现放大器在工作频段内的绝对稳定，而不能消除带外的不稳定。针对该问题，可在放大器输出端串接小电阻(见后文图4)加以解决。

优化后的微带线尺寸为：宽度=0.446mm、长度=55mil。此时，如图3所示，放大器在宽频带范围内Mu值均大于1，达到了绝对稳定：810MHz～850MHz工作频段内Mu值为3.460～3.485，0～6GHz频带范围内Mu值最小值为1.208。

图3添加稳定性电路后的仿真曲线

1.4 匹配电路设计

在设计放大器时，一般有两种原则：一是以达最小噪声系数为目标的最佳噪声匹配法[7]；二是以达最大功率增益为目标的共轭匹配法[7]。下面我们分别加以介绍。

1.4.1 最佳噪声匹配法

放大器的噪声系数表达式为：

(4)

式中，Γs为源反射系数，Γmin为最小噪声系数，Rn为等效噪声电阻、Γopt为最佳源反射系数。Γmin、Rn、Γopt统称为噪声参数，晶体管出厂时，这三个参数值便确定下来。

由上式可知，调节Γs，噪声系数随之变化。当Γs=Γopt时，F=Fmin，获得最佳噪声匹配。

1.4.2 共轭匹配法

单向传输晶体管(S12≈0)构成的放大器变换功率增益表达式为：

(5)

式中，ΓS是源反射系数，ΓL是负载反射系数，S11是输入端反射系数，S22是输出端反射系数，S21是输入向输出的正向传输系数。

由上式可推导出，当晶体管与输入、输出网络间达共轭匹配时，即Γs=S11*、ΓL=S22*时，变换功率增益达最大值，表示为：

(6)

1.4.3 仿真设计

综合考虑最佳噪声匹配法和共轭匹配法，提出了新的设计原则，具体是：输入匹配的设计应使放大器的工作状态接近最佳噪声匹配，同时兼顾放大器增益；为获得最大功率增益，输出匹配采用共轭匹配法来设计。

基于以上原则，在ADS软件环境下，以噪声系数、增益、输入输出回波损耗等为目标设计并优化了电路，得到匹配电路仿真原理图如图4所示。

图4中，输入输出匹配网络由串联或并联的电容、电感、电阻及微带线组成。值得一提的是，晶体管栅极、漏极直流偏置网络中的射频扼流圈L3=16nH、L4=22nH，也参与了匹配。此外，为消除放大器带外的不稳定，实现0～6GHz宽频带范围内的稳定性,输出匹配网络中串接了10欧姆的稳定电阻。

图4匹配电路仿真原理图

2 仿真结果

通过S参数仿真,得到的仿真曲线如图5所示。由图5可知，在工作频段内，噪声系数nf(2)最小值为0.224dB，最大值为0.228dB，达到了较好的指标；增益S21最小值为17.694dB，最大值为18.116dB，带内增益波动小于0.5dB,表明增益较平坦，保证了放大器的放大效果；输入回波损耗S11<-15dB,输出回波损耗S22<-17dB,表明放大器输入输出匹配良好。

图5噪声系数、S参数仿真曲线

3 结论

本文设计了一款800MHz频段的高增益、低噪声放大器。采用单电源供电方式, 静态工作点选取3V、60mA；稳定性设计采用源极串接微带线和输出端串接小电阻相结合的办法，以实现放大器在0～6GHz宽频带范围内的绝对稳定；输入匹配设计采用最佳噪声匹配法，以实现放大器工作在接近最佳噪声匹配的状态，获得较小噪声系数的同时，兼顾放大器增益；输出匹配设计采用共轭匹配法，以实现最大功率增益。在ADS软件环境下，以噪声系数、增益、输入输出回波损耗、稳定系数等为目标设计并优化了电路，通过S参数仿真得到各项性能参数为：在工作频段内，噪声系数nf(2)<0.3dB；增益S21>17dB，带内增益波动小于0.5dB；输入回波损耗S11<-15dB,输出回波损耗S22<-17dB。结果表明，该设计完全满足指标要求，可以应用于800MHz CDMA基站接收机前端。

参考文献：

[1] Tero O.宽带CDMA:第三代移动通信技术[M]. 朱旭红(译).北京:人民邮电出版社,2000.

[2] Guillermo G.微波晶体管放大器分析与设计[M]. 白晓东(译).北京:清华大学出版社,2003.

[3] Agilent Technologies. Agilent ATF-54143 low noise enhancement mode pseudomorphic HEMT in a surface mount plastic package data sheet[Z]. 2001, 18(5): 5988-2722EN.

[4] Karl B, Nicolas, Walter T, et a1. The matched feedback amplifier: ultra wideband microwave amplification with GaAs MESFET[J]. IEEE Trans, On MTT, 1980, 4: 285-295.

[5] Stephan C B, Eric A, Klumperink M, et a1. Wideband balun-LNA with simultaneous output balancing, noise-canceling and distortion-canceling[J]. IEEE J. Solid-State Circuits, 2008, 43: 1341-1349.

[6] Agilent Technologies. A low noise high intercept point amplifier for 900MHz Applications using ATF-54143 PHEMT[Z]. 2006, 23(6): 5988-6670EN.

[7] 陈邦媛.射频通信电路[M].北京:科学出版社,2006.