CDMA 基站LNA設(shè)計

隨著移動通信的普及,移動通信設(shè)備商之間競爭也更加激烈;各大通信巨頭為了搶奪市場,不斷提高基站的性能,降低基站的價格;低噪聲放大器是基站接收機的第一級,圖1 是典型的基站結(jié)構(gòu)示意圖,從圖中可以看到低噪聲放大器位于接收機的最前端,因此對基站接收機來說,低噪聲放大器是十分關(guān)鍵的部件,它直接影響到整個接收鏈路的信噪比,對提高基站靈敏度有決定性影響。

安捷倫公司的A TF54143 是一種增強型偽高電子遷移率晶體管,不需要負柵極電壓,與耗盡型管相比較,可以簡化排版而且減少零件數(shù),該晶體管最顯著的特點是低噪聲,并具有高增益、高線性度等特性,他特別適用于工作頻率范圍在450 MHz ～6 GHz 之間的蜂窩/ PCS/ WCDMA 基站、無線本地環(huán)路、固定無線接入和其他高性能應(yīng)用中的第一階和第二階前端低噪聲放大器電路中。

圖1 　基站結(jié)構(gòu)示意圖

1 　仿真設(shè)計

本文采用安捷倫公司的A TF54143 設(shè)計低噪聲放大器,該低噪聲放大器主要指標(biāo)為: 在810～850 MHz 范圍內(nèi)達到增益大于17 dB ,噪聲系數(shù)小于018 ,輸入回波損耗大于15 dB ,輸出回波損耗大于12 dB ,輸出三階交調(diào)系數(shù)大于27 dBm。

1.1 　晶體管模型低噪聲放大器

通常會在源極加電感來增加穩(wěn)定性,穩(wěn)定性設(shè)計對于任何放大器都是必需的,沒有設(shè)計成絕對穩(wěn)定的放大器不能應(yīng)用到產(chǎn)品中去的;影響低噪聲放大器穩(wěn)定性的因素有很多,其中源極電感是其中之一。

圖2　未加源極電感的FET 等效原理圖

由圖可知輸入等效阻抗的表達式為式(1) :

圖3 　添加源極電感的FET 等效圖

從原理圖中可知輸入等效阻抗表達式(2) 為:

加入源極電感不僅改善穩(wěn)定性,也能改善輸入輸出匹配與噪聲系數(shù),是設(shè)計低噪聲放大器非常重要的方法。

1.2 　電路原理圖

根據(jù)原理圖,利用ADS 對電路進行S 參數(shù)仿真,為了提高仿真的準(zhǔn)確性,電路元器件都采用了廠商提供的等效模型,同時將Rogers 的板材特性參數(shù)代入微帶線模型中。圖4 是用于ADS 的仿真原理圖。

圖4 　仿真原理圖

通過ADS 仿真及最后的實際電路測試,我們發(fā)現(xiàn)該低噪聲放大器能夠較好的滿足設(shè)計要求。圖5是實際測試結(jié)果圖。圖中可以看出,實際測試數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果比較一致。

1.3 　仿真測量結(jié)果

根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求,利用安捷倫的高級設(shè)計系統(tǒng)軟件仿真了工作頻段在810～850 MHz 范圍的低噪聲放大器,采用ROGES 公司的高頻線路板,介電常數(shù)為3148 ,厚度為20 mil ;仿真結(jié)果如圖,從仿真2 　低噪聲放大器的調(diào)試結(jié)果按照仿真結(jié)果,制成了PCB 樣板并通過網(wǎng)絡(luò)分析儀測試S 參數(shù)與噪聲測試見圖6 。圖5 是低噪聲放大器的實物圖。表2 是實測數(shù)據(jù),從實測數(shù)據(jù)中可以看到,低噪聲放大器是絕對穩(wěn)定的,且在帶內(nèi)增益達到1815 dB 以上,輸入回波損耗20 dB 以上,輸出回波損耗為15 dB 左右, 噪聲系數(shù)維持在0185 dB ,實測數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)并無太大差異,這也證明了仿真方法的正確性。結(jié)果可以看出低噪聲放大器的增益大于18 dB ,噪聲系數(shù)小于018 ,輸入回波損耗大于15 dB ,輸出回波損耗大于12 dB。

表1 　仿真數(shù)據(jù)

仿真數(shù)據(jù)

2 　低噪聲放大器的調(diào)試結(jié)果

按照仿真結(jié)果,制成了PCB 樣板并通過網(wǎng)絡(luò)分析儀測試S 參數(shù)與噪聲測試見圖6 。圖5 是低噪聲放大器的實物圖。表2 是實測數(shù)據(jù),從實測數(shù)據(jù)中可以看到,低噪聲放大器是絕對穩(wěn)定的,且在帶內(nèi)增益達到1815 dB 以上,輸入回波損耗20 dB 以上,輸出回波損耗為15 dB 左右, 噪聲系數(shù)維持在0185 dB ,實測數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)并無太大差異,這也證明了仿真方法的正確性。

表2 　實測數(shù)據(jù)

圖5 　低噪聲放大器實物

圖6 　低噪聲放大器S 參數(shù)測量圖

從測試結(jié)果來看,低噪聲放大器的指標(biāo)已基本符合CDMA 基站對第一級放大器的要求,考慮到實際應(yīng)用中電子產(chǎn)品的特性會隨環(huán)境溫度變化而變化,因此對低噪聲放大器進行溫度特性測試是下一步工作,也是設(shè)計產(chǎn)品不可缺少的一環(huán)。

3 　結(jié)束語

低噪聲放大器是基站接收機中的關(guān)鍵器件之一; 本文采用安捷倫公司的先進設(shè)計系統(tǒng)與A TF54143 ,通過對噪聲系數(shù)與輸入回波損耗的折中設(shè)計,進行共軛匹配,成功設(shè)計出低噪聲放大器。

其工作頻段的性能參數(shù)為:噪聲系數(shù)為0185 ,P1 dB約為16 dBm ,輸入回波損耗大于20 ,輸出回波損耗大于14 ,增益保持在18 dB 以上。得到了最終的版圖并且對其進行測量,并經(jīng)過高低溫與差異性測試,證明其完全能應(yīng)用到實際產(chǎn)品中,目前準(zhǔn)備應(yīng)用于杭州某通信公司的產(chǎn)品中。