射频低噪声放大器创新设计性实验实践探索

刘宏梅，张 妍，房少军

（大连海事大学 国家级电工电子实验教学示范中心，辽宁 大连 116026）

随着科学技术的不断进步，无线通信设备正朝着频率高、功能强、功耗低的方向发展[1-2]。在射频微波领域，“射频电路设计”是一门必修课程[3]。为了加深学生对课程中繁复的公式及理论内容的理解，近年来各高校纷纷开设射频实验课程，但大多仅限于用矢量网络分析仪或频谱仪测量一些基于微带电路设计的射频器件[4]，后又逐步设计实现了针对射频无源器件的可重复使用的射频无源电路实验装置[5-10]。

目前，实验室可重复使用的射频实验装置大多是针对无源器件的。但射频电路不仅包括无源电路，还包括有源电路。其中，低噪声放大电路是一种重要的射频有源电路。它的作用是放大天线从空中接收到的微弱信号，减少噪声干扰，以供系统解调出信息数据[11]，一般用作各类无线电接收机的高频或中频前置放大器，以及高灵敏度电子探测设备的放大电路。但目前并未发现有关低噪声放大电路的实验板。

针对射频有源实验设备短缺的情况，我们结合射频电路设计课程，设计实现了一种可重复使用、成本低的自主设计型低噪声放大电路实验装置。基于该实验装置，学生可以利用ADS 软件自主设计低噪声放大器的输入和输出阻抗匹配电路；根据设计好的尺寸剪裁铜箔，并将铜箔贴在实验装置中的自主设计区域；将设计好的低噪声放大器连接测试设备；根据测试结果调试匹配电路结构，获得最佳性能。测试结果表明，基于该实验装置设计完成的射频低噪声放大器不仅能够实现良好的实验教学效果，还能够用于教师的科研开发。

1 射频低噪声放大电路实验装置的设计

图1 给出了低噪声放大电路实验装置的构成框图。该装置由介质板、低噪声放大电路和偏置电路保护罩构成。其中低噪声放大电路又分为低噪声放大芯片、直流偏置电路、输入/输出匹配设计区域和供电装置。

图1 实验装置构成框图

考虑到适合手工加工的微带线宽度为2～4 mm，为降低成本，选用介电常数为4.4、厚度为1.5 mm 的双面覆铜FR4 板作为实验装置的介质基板。该基板对应的50 Ω 微带线的线宽为2.85 mm。

考虑到与所选FR4 板和测试设备（矢量网络分析仪）的适配性，以及成本和性能等方面的因素，选用SMA 接头作为低噪声放大器的输入和输出端口。从稳定性及价格方面考虑，选用了ATF54143 低噪声放大芯片。直流偏置电路采用经典的三电阻分压方式。从ADS 软件的器件库中调用ATF54143 模型仿真，得到它的工作电压为：栅源电压Vgs=3.16 V，漏源电压Vds=0.57 V。为使直流偏置电路能够正常工作，通过计算并考虑到常用电阻值的限制，最终选取三个电阻的阻值分别为82 Ω、620 Ω 和33 Ω。

为保护直流偏置电路，设计了一个透明的保护罩，并采用3D 打印技术加工成品。保护罩采用透明材质，方便学生观察直流偏置电路的结构。在保护罩上留有两个圆孔，方便学生使用万用表测量低噪声放大芯片的栅极和漏极工作电压，以确定直流偏置电路的工作状态。出于安全性和易操作性考虑，采用5 V 插拔式供电装置供电。该供电装置由电源座和可插拔电源线构成，电源座采用两脚接插件，电源线的一端与接插件连接，另一端是USB 接口，与手机充电器连接。

理论上该射频低噪声放大电路实验装置能实现的频率范围为0.8～2.0 GHz。由于实验装置的尺寸大小与中心频率对应的波长成正比，而频率越低所对应的波长越长，因此以800 MHz 为依据确定实验装置的尺寸。在此基础上，考虑到需预留足够的输入/输出匹配电路设计区域，最终确定低噪声放大电路实验装置的总尺寸为150 mm×70 mm。

2 射频低噪声放大电路实验装置的实现

加工实验装置所需的主要材料有：双面覆铜FR4板一块，SMA 接头两个，5 V 插拔式电源座及电源线，电子元件（电容、电感和电阻），双面导电铜箔和透明保护罩。

加工流程如下：

（1）切割实验板。使用雕刻机切割一块尺寸为150 mm×70 mm 的双面覆铜FR4 板。

（2）非设计部分电路结构实现。FR4 板正面保留直流偏置电路、输入和输出端口50 Ω 微带线的覆铜部分，采用腐蚀技术将其他铜去掉。FR4 板背面保留铜作为地板，仅在与5 V 插拔式供电装置对应的位置上腐蚀掉一个方槽，将电源正极与负极分开。

（3）偏置电路设计。采用经典的三电阻分压式偏置电路，直流偏置电路的结构如图2 所示。其中旁路电容选用150 pF 的贴片电容，扼流电感选用100 nH的贴片电感。

图2 直流偏置电路结构图

（4）安装接头和电源座。将两个SMA 接头分别与输入、输出50 Ω 微带线焊接。电源座的一脚与低噪声放大电路供电线焊接，另一脚与地板焊接。

（5）加工并安装保护罩。采用CREALITY 3D 打印机加工透明保护罩。使用打孔机在介质板上与保护罩四脚对应处打孔，放置保护罩并用螺丝锁紧。

加工后的低噪声放大电路实验装置如图3 所示。实验装置的正面从左到右依次是输入端50 Ω 微带线、输入匹配设计区域、芯片和偏置电路、供电装置、输出匹配设计区域和输出端50 Ω 微带线。背面由地板和方形槽组成。其中方形槽位于接插件后方，用于将电源的正极和负极隔开。

图3 低噪声放大电路实验装置实物图

3 射频低噪声放大器设计实验过程

下面以900 MHz 低噪声放大器的设计为例，说明如何设计该低噪声放大电路实验装置。

具体设计步骤如下：

（1）稳定性分析。在ADS 软件中仿真，观察稳定系数K 的曲线，只有稳定系数K＞1 放大器电路才会稳定[12]。经仿真，在芯片的两个源极与地之间分别加一个1.2 nH 的负反馈电感能使稳定系数K＞1。

（2）输入阻抗匹配。通过调用 ADS 软件中的[S-Parameter Simulations]模板仿真，可以得到输入阻抗值，再用软件中的史密斯圆图对芯片的输入端口进行匹配[13]。输入端匹配遵循最小噪声原则，采用微带线匹配结构。输入端的匹配过程如图4 所示。

（3）输出阻抗匹配。调用[S-Parameter Simulations]模板仿真得到输出阻抗值，输出端口的匹配同样在ADS 软件中借助史密斯圆图来完成。输出端匹配遵循最大增益原则，也采用微带线匹配结构。输出端的匹配过程如图5 所示。

（4）版图联合仿真。将设计好的电路生成版图与原理图进行联合仿真，观察S 参数仿真结果。通过调节各匹配枝节的长度和宽度优化联合仿真结果，优化后的结果如图6 所示。

图4 输入阻抗匹配

图5 输出阻抗匹配

由图6 可得，仿真得到的低噪声放大电路在中心频率900 MHz 处的S11为-20.027 dB，S21为17.743 dB，S22为-20.203 dB。

（5）加工制作。记录最优仿真结果对应的各微带线匹配枝节的长度和宽度。使用小刀切割同尺寸的双面导电铜箔，粘贴在输入和输出匹配设计区域，实物如图7 所示。

（6）实物测试。接通5 V 电源，用万用表测量直流偏置电路的工作电压是否正确，用频谱仪测量是否有自激现象。当工作电压正常且无自激产生时，将实验装置与已校准的矢量网络分析仪连接，测试该低噪声放大器的性能。测得的S 参数结果如图8 所示。

图8 S 参数实物测试结果图

由图8 可得，自主设计的低噪声放大器在中心频率900 MHz 处S11约为-25 dB，S21约为12 dB，S22约为-32.7 dB，与联合仿真结果较吻合。

4 结语

本文提出了一种可自主设计的低噪声放大电路实验装置，打破了国内高校射频有源电路实验装置短缺的困局，结合本校开设的射频有源电路设计实验课程，能够提高学生的自主设计能力，培养创新意识，并加深对课程内容的理解。

实践表明，本文提出的低噪声放大电路实验装置具有易制作、成本低、可重复利用、安全性高等优点，适用于射频有源电路设计课程配套的实验课。本装置使用了特制的插拔式供电方式，规避了供电上的危险。通过采用铜箔粘贴方式替代电烙铁焊接方式，实现放大器输入和输出端口匹配，提高了操作中的安全性。