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摘要：本文探讨了微波集成电路芯片ATF34143在低噪声放大器设计中的应用。本文设计的LNA应用于某一点多址通信系统中，要求工作频率为1．4—1．6GHz，噪声系数NF<0．8，增益G>22dB。最后给出了运用ADS软件的仿真结果和测试结果，达到了预定的设计指标。
关键词：低噪放(LNA)；ADS；噪声系数；匹配
引言
现今，对无线系统射频接收机的要求越来越高，比如低功耗、低噪声、大动态范围、高灵敏度和高线性度等。处于接收机最前端的低噪声放大器(LNA)对于提高系统性能起到了关键作用。LNA对天线接收到的微弱射频信号进行放大，同时还要尽可能的降低各种噪声对接收系统的干扰。
ATF34143是Agilent公司生产的高电子迁移率晶体管(PHEMT)，它具有高的截止频率和效率，特别是具有优良的噪声特性。工作频率高，其工作频带为450MHz一10GHz，在1．9GHz上噪声系数最小0．5dB，增益为17．5dB。
ADS(Advanced Design System)是Agilent公司在HP EESOF系列EDA软件基础上发展完善起来的大型综合设计软件，涵盖了从小元器件到大系统级的设计和分析。其强大的仿真设计手段可在时域或频域内实现对数字或模拟、线性或非线性电路的综合仿真分析与优化，并可对设计结果进行成品率分析与优化，从而大大提高了复杂电路的设计效率。
仿真设计过程
为达到增益指标要求，采用两级晶体管的级联结构，对第一级进行最佳噪声匹配，第二级则利用等噪声圆图和等增益圆图对增益和噪声进行合理的选择，然后运用ADS仿真软件对电路进行仿真和优化。
选择合适晶体管工作状态
根据两级级联系统的噪声系数公式：
由公式(1)可知，系统第一级的噪声对系统的影响是最大的，因而第一级应根据最小噪声系数确定晶体管的工作电流，第二级从最大增益来考虑上作电流，同时兼顾噪声。
稳定性及措施
放大器的绝对稳定条件要求稳定因子
在选定的晶体管工作条件下计算发现不满足k>1，此时放大器处在潜在不稳定状态，因而采用在源极增加电感并将电感用微带线代替来使放大器工作在绝对稳定的状态下。
网络匹配设计
匹配网络有多种形式，这里采用全微带匹配。利用ADS中的Smith ChartUtility工具进行匹配，只要知道源匹配阻抗和负载匹配阻抗就可以方便地进行匹配，匹配的步骤是先进行输入端的匹配，把输入阻抗匹配到最佳噪声源阻抗。然后用S参数进行仿真，得出负载匹配阻抗值，然后分别进行输出阻抗匹配和级间网络的匹配。
网络偏置设计
PHEMT的偏置有多种方式，比较常用的一种是在漏极加正电压，栅极加负电压以控制漏极电流，源极对直流是直接接地。这种偏置方法的优点是：因为源极没有偏置电路，所以引入的源极反馈较小，对高频而言比较容易稳定。
优化仿真
ADS仿真软件具有强大的优化功能。优化调整时应首先确定优化目标，对LNA的设计而言，优化目标主要有噪声系数，增益，宽带范围内的稳定系数K，以及回波损耗S11的验证与优化。注意如何规划仿真，要按照先局部后整体优化，切忌直接全局优化，最好能够预先计算设置优化元件的初值。要注意仿真的数值稳定性，对于对参数特别敏感的仿真结果在最后制作时是很难实现的。优化后的仿真结果如图1、图2所示。
实验与测试
将仿真结果加工成印制板，焊接电路板时，应首先焊接LNA的供电部分，通电检查电源正确后再焊接其他无源器件(电阻，电容，电感)，最后将晶体管按正确方式焊接。静电感应极易造成PHEMT器件毁坏，因此在单片的装配及焊接过程中，须将焊接装置和放大器腔体接地。放大器安装在腔体上，应保持良好的接地性能，否则容易产生放大器自激振荡。
当电路由于制作误差产生自激振荡等现象时，需要在实验中进行调整，设法使放大器工作正常。使用Agilent公司的噪声增益测试仪来测试噪声和增益。把噪声增益测试仪设置为扫频放大模式和列表显示结果，加电测试。最后在屏蔽盒盖上贴吸收材料，装好盒盖。根据仿真结果以及测量结果来看，放大器基本满足设计指标要求。
结语
与仿真结果相比较，增益变化O．8dB左右，噪声系数增大0．2dB左右。原因是在微波工作室中整个微带电路的设计都是在理想无耗状态下进行的，各微带模型都是理想的，而在实际制作过程中存在工艺误差，接头匹配不太理想，焊接过程有影响，这些都会引起损耗。此外，微带基片的特性有很大的影响，介电常数可能与设计得不完全一致。微带基片本身固有的损耗及基片的温度系数等都会影响放大器的噪声系数、增益和驻波比等性能。
参考文献：
1．Reinhold Ludwig，Pavel Bretchko，‘RF Circuit Design Theory andApplication’，科学出版社，2002
2．陈邦媛，‘射频通信电路’科学出版社，2002
3．方磊，陈邦媛，‘级联型低噪声放大器设计和优化研究’，电路与系统学报，2003
4．Thomas Chong，Senjeev Rendava，‘Design and Performance ofa1．6-2．2GHzLow-Noise’，High Gain Dual Amplifier inGaAs E-pHEMT，IEEE 2005
5．ATF34143 datasheet
关键词：低噪放(LNA)；ADS；噪声系数；匹配
引言
现今，对无线系统射频接收机的要求越来越高，比如低功耗、低噪声、大动态范围、高灵敏度和高线性度等。处于接收机最前端的低噪声放大器(LNA)对于提高系统性能起到了关键作用。LNA对天线接收到的微弱射频信号进行放大，同时还要尽可能的降低各种噪声对接收系统的干扰。
ATF34143是Agilent公司生产的高电子迁移率晶体管(PHEMT)，它具有高的截止频率和效率，特别是具有优良的噪声特性。工作频率高，其工作频带为450MHz一10GHz，在1．9GHz上噪声系数最小0．5dB，增益为17．5dB。
ADS(Advanced Design System)是Agilent公司在HP EESOF系列EDA软件基础上发展完善起来的大型综合设计软件，涵盖了从小元器件到大系统级的设计和分析。其强大的仿真设计手段可在时域或频域内实现对数字或模拟、线性或非线性电路的综合仿真分析与优化，并可对设计结果进行成品率分析与优化，从而大大提高了复杂电路的设计效率。
仿真设计过程
为达到增益指标要求，采用两级晶体管的级联结构，对第一级进行最佳噪声匹配，第二级则利用等噪声圆图和等增益圆图对增益和噪声进行合理的选择，然后运用ADS仿真软件对电路进行仿真和优化。
选择合适晶体管工作状态
根据两级级联系统的噪声系数公式：
由公式(1)可知，系统第一级的噪声对系统的影响是最大的，因而第一级应根据最小噪声系数确定晶体管的工作电流，第二级从最大增益来考虑上作电流，同时兼顾噪声。
稳定性及措施
放大器的绝对稳定条件要求稳定因子
在选定的晶体管工作条件下计算发现不满足k>1，此时放大器处在潜在不稳定状态，因而采用在源极增加电感并将电感用微带线代替来使放大器工作在绝对稳定的状态下。
网络匹配设计
匹配网络有多种形式，这里采用全微带匹配。利用ADS中的Smith ChartUtility工具进行匹配，只要知道源匹配阻抗和负载匹配阻抗就可以方便地进行匹配，匹配的步骤是先进行输入端的匹配，把输入阻抗匹配到最佳噪声源阻抗。然后用S参数进行仿真，得出负载匹配阻抗值，然后分别进行输出阻抗匹配和级间网络的匹配。
网络偏置设计
PHEMT的偏置有多种方式，比较常用的一种是在漏极加正电压，栅极加负电压以控制漏极电流，源极对直流是直接接地。这种偏置方法的优点是：因为源极没有偏置电路，所以引入的源极反馈较小，对高频而言比较容易稳定。
优化仿真
ADS仿真软件具有强大的优化功能。优化调整时应首先确定优化目标，对LNA的设计而言，优化目标主要有噪声系数，增益，宽带范围内的稳定系数K，以及回波损耗S11的验证与优化。注意如何规划仿真，要按照先局部后整体优化，切忌直接全局优化，最好能够预先计算设置优化元件的初值。要注意仿真的数值稳定性，对于对参数特别敏感的仿真结果在最后制作时是很难实现的。优化后的仿真结果如图1、图2所示。
实验与测试
将仿真结果加工成印制板，焊接电路板时，应首先焊接LNA的供电部分，通电检查电源正确后再焊接其他无源器件(电阻，电容，电感)，最后将晶体管按正确方式焊接。静电感应极易造成PHEMT器件毁坏，因此在单片的装配及焊接过程中，须将焊接装置和放大器腔体接地。放大器安装在腔体上，应保持良好的接地性能，否则容易产生放大器自激振荡。
当电路由于制作误差产生自激振荡等现象时，需要在实验中进行调整，设法使放大器工作正常。使用Agilent公司的噪声增益测试仪来测试噪声和增益。把噪声增益测试仪设置为扫频放大模式和列表显示结果，加电测试。最后在屏蔽盒盖上贴吸收材料，装好盒盖。根据仿真结果以及测量结果来看，放大器基本满足设计指标要求。
结语
与仿真结果相比较，增益变化O．8dB左右，噪声系数增大0．2dB左右。原因是在微波工作室中整个微带电路的设计都是在理想无耗状态下进行的，各微带模型都是理想的，而在实际制作过程中存在工艺误差，接头匹配不太理想，焊接过程有影响，这些都会引起损耗。此外，微带基片的特性有很大的影响，介电常数可能与设计得不完全一致。微带基片本身固有的损耗及基片的温度系数等都会影响放大器的噪声系数、增益和驻波比等性能。
参考文献：
1．Reinhold Ludwig，Pavel Bretchko，‘RF Circuit Design Theory andApplication’，科学出版社，2002
2．陈邦媛，‘射频通信电路’科学出版社，2002
3．方磊，陈邦媛，‘级联型低噪声放大器设计和优化研究’，电路与系统学报，2003
4．Thomas Chong，Senjeev Rendava，‘Design and Performance ofa1．6-2．2GHzLow-Noise’，High Gain Dual Amplifier inGaAs E-pHEMT，IEEE 2005
5．ATF34143 datasheet