基于ATF54143和SGL0622Z的北斗低噪放设计

陈　昊，蔡文郁，汪润泉

(杭州电子科技大学电子信息学院，浙江 杭州 310018)



基于ATF54143和SGL0622Z的北斗低噪放设计

陈昊，蔡文郁，汪润泉

(杭州电子科技大学电子信息学院，浙江 杭州 310018)

摘要：低噪声放大器是射频前端中不可或缺也是极为重要的一部分。它是为了过滤和增强无线电信号，减少相应的噪声干扰，为下一个射频信号处理模块提供完整、可靠电信号。针对北斗一代而设计的具有高增益、低噪声系数的一种低噪声放大器设计方案，选用ATF54143和SGL0622Z作为核心器件。经原理图仿真、版图联合仿真及实际测试均符合设计要求。

关键词：低噪声放大器；阻抗匹配；噪声系数；增益；驻波比

0引言

港口岸线海洋环境监测中广泛采用铱星、北斗等卫星方式进行远程数据传输。北斗一代卫星导航系统除能导航外，更具有短报文通信能力，与其他的导航系统相比有独特的优势。低噪声放大器是射频接收机前端的主要部分，它位于接收机的最前端，将需要处理的无线信号，通过放大、滤波成射频芯片能处理的信号。由于无线信号非常的弱小，并伴随着很大的干扰。因此系统对低噪声放大器的噪声、增益及线性度有很高的要求，并且要求输入、输出阻抗实现良好的匹配及实现有效的功率传输。现有的设计方案采用两级ATF54143级联的方式[1]，通过软件仿真使其达到一定增益，并缺少实际测试结果，而实际增益相比仿真结果通常会下降6 dB左右，无法完全满足设计要求，而本文通过ATF54143和SGL0622Z级联的方式达到设计要求，整个系统无论是仿真还是实测结果，在满足增益的同时依然保持低噪声，输入、输出驻波比低等要求，相比现有方案有了质的提升。

1系统要求与设计方案

参考文献比较中基于ADS仿真的宽带低噪声放大器设计，它是基于两级ATF54143低噪放设计，最终实际电路增益达到25 dB左右,本文要求达到有更高的增益和更低的噪声系数。故采用专用的元件库仿真，又增加了原理图与版图联合仿真，更接近实际测试结果，更具有可靠性。

图1　低噪放系统结构图

2低噪声放大器电路设计与仿真

2.1　偏置电路设计

由于SGL0622Z放大器输入输出端已完全匹配到50 Ω，这里主要讨论的是ATF54143的偏置及匹配电路设计。查阅ATF54143数据手册，噪声系数图和增益曲线图分别如图2、图3所示，当偏置电流VDS=4 V，IDS=40 mA，工作频率在2 GHz时，噪声系数为0.45 dB，最大增益达18 dB。

图2　频率为2 GHz时NF与IDS关系

图3　频率为2 GHz时GAIN与IDS关系

通常低噪声放大器各个指标之间是相互矛盾的，例如当增益提高时，常常以牺牲噪声系数为代价，而低噪声放大器作为整个射频的第一级，噪声系数要尽量低。因此在设计时各个指标要折衷考虑，具有尽量小的噪声系数、足够的增益和整个低噪放的功耗较低。综合考虑，偏置电流为VDS=3.5 V，IDS=40 mA。最后，选定的ATF54143偏置电路如图4所示。

图4　ATF54143偏置电路

2.2　匹配电路设计

设计中，希望尽可能地提高S21参数以提高增益，同时，降低S11和S22参数，提高输入、输出驻波比。然而，在射频中，很多参数之间相互制约，相互影响。比如，当增益提高的同时必定会引起噪声系数的提高。因此，在实际设计中，应该综合考虑和平衡各个参数之间的关系，得到最优值，可借助ADS软件中Smith圆图设计，通常为了达到噪声系数最小，第一级低噪声放大器输入匹配按照最佳噪声系数匹配设计，以达到最佳噪声系数。噪声系数圆如图5所示，借助Smith圆图最终设计的最佳噪声系数圆如图6所示，最佳噪声系数匹配电路如图7所示。级间匹配和输出匹配以最佳阻抗匹配设计，不再赘述。

图5　噪声系数圆

图6　最佳噪声系数匹配圆

根据匹配电路设计原理，借助Smith圆图，分别设计出ATF54143和SGL0622Z输入、输出阻抗匹配，ATF54143和SGL0622Z的单级低噪声放大器放大电路分别如图8、图9所示，包括偏置电路，而直流电路与交流小信号通过电容与电感相互隔离，保证相互之间没影响。

图7　最佳噪声系数匹配电路

图8　ATF54143单级放大电路

图9　SGL0622Z单级放大电路

3综合仿真及实际测试与分析

3.1　放大器带宽的拓展

本设计基板介电常数εr=4.4，介质层厚度为Н=0.8 mm,损耗正切tanθ=0.02，铜的电导率Cond=5.88×107S/m，导体厚度T=0.035 mm。这里所讨论的低噪声放大器是由ATF54143和SGL0622Z两级级联的，原理图根据实际情况，微带线参数由电长度改为实际参数，且元器件直接相连处加上必要的连接线。并且考虑到实际电焊情况，预留了一定的焊盘距离。经优化的S参数仿真结果如图10所示，由S21参数可知，在2.49 GHz左右的中心频带内，增益控制在37.5 dB左右，显然带内增益平坦度小于1 dB。输入输出驻 波系数控制在1.5 dB内，仅1.288 dB，满足绝对稳定的条件[5]，噪声系数在0.686 dB左右。与参考文献[2]中的设计相比，在不影响其他指标的情况下增益有所提高。

图10　原理图-S参数仿真结果

3.2　放大器原理图-版图联合仿真

通常高频信号之间会相互电磁干扰，且不合理的布局均达不到理想的效果，因此原理图仿真后，有必要作原理图-版图联合仿真，并设置板子的材质参数，尽可能与实际相同。通过反复调试、仿真与优化，最终联合仿真图如图11所示，增益下降至35.9 dB，噪声系数为0.755 dB，输入输出驻波为1.203 dB和1.129 dB。但仍满足绝对稳定，对比原理图仿真结果，可知原理图-版图联合仿真结果与之前有一定差异，但符合设计要求。联合仿真S参数结果如图12所示。

图11　原理图-版图联合仿真图

图12　联合仿真S参数结果

3.3　实际低噪放电路测试结果与分析

根据最后版图设计而制作的电路测得的偏置电压VDS=3.47 V，符合设计要求，然后通过矢量网络分析仪和信号源分析仪测得的增益和噪声系数如图13、14所示，在中心频率为2.49 GHz时，增益为31.809 dB，S11和S22参数在-15 dB左右，而噪声系数为0.9 dB左右。并且经过长期的测试，各项系数稳定，没有自激震荡现象。相比联合仿真各指标有所下降，但符合设计要求。

图13　增益、S11 和S22实际测试结果

图14　噪声系数实际测试结果

4结束语

本文针对射频模块系统要求设计了低噪声放大器，对参数指标进行了分析，通过仿真和测试分析，均达到设计要求。比较目前现有的设计方案，无论是在理论上还是在实际应用上，各指标均有所提高。同时，本设计方案都是纯软件仿真，没有版图联合仿真，更没有实际测试电路，因此填补了这方面的空白，并为后续开发提供必要的条件。

[1]万建岗,高玉良,左治方.基于ADS仿真的宽带低噪声放大器设计[J].电讯技术,2009,49(4):58-61.

[2]张鸣.北斗一代卫星导航接收机射频通道技术研究[D].北京:北方工业大学,2011:9-13.

[3]侯铭言.卫星导航接收机低噪放的设计与研究[D].南京:南京理工大学,2013:10-12.

[4]孙安锋.微波低噪放大器模块的设计与实现[D].西安:西安电子科技大学,2012:12-14.

[5]张小兵,陈德智.基于ATF54143的LNA设计[J].现代电子技术,2007,30(20):165-167.

The LNA of “Beidou Star-I” Based on ATF54143 and SGL0622Z

Chen Hao，Cai Wenyu，Wang Runquan

(SchoolofElectronicInformation，HangzhouDianziUniversity，HangzhouZhejiang310018，China)

Abstract：The low noise amplifier(LNA) is the indispensable and important part as the front of RF.It is designed to filter and enhance the radio signals，decrease the interference of noise，provide compete and reliable signal for the RF signal processing module.The design of LNA based on “Beidou star-I” satellite's navigation which has higher amplify and lower noise，and choosing the ATF54143 and SGL0622Z as the core chips.The result meets the requirement in the schematic simulation，combined with simulation layout and reality circuit test.

Key words：low noise amplifier；impedance matching；noise factor；gain；voltage standing wave ratio

中图分类号：TN722.3

文献标识码：A

文章编号：1001-9146(2015)06-0023-05

通信作者：

作者简介：陈昊(1989- )，男，浙江绍兴人，在读研究生，电子系统集成.蔡文郁副教授，E-mail：dreampp2000@163.com.

基金项目：浙江省公益技术应用研究计划资助项目(2014C33096，2014C33095)

收稿日期：2014-11-06

DOI：10.13954/j.cnki.hdu.2015.06.005