本論文采用ADS2011仿真軟件，使用Avago公司的ATF54143晶體管作為主要器件，設計了頻率范圍為2.35～2.45GHz、中心頻率為2.4GHz的LNA，其性能指標為：噪聲系數<1dB，增益>13dB，輸入輸出駐波比<2，基本上達到了預期的效果。設計過程分為四步。第一步是在明確放大器的性能指標后選擇晶體管，然后進行直流偏置電路的設計。第二步是放大器的穩定性分析與設計。第三步就是放大器電路的輸入和輸出匹配。輸入匹配電路以最小噪聲系數來匹配網絡，輸出匹配電路以最大增益來匹配網絡。第四步就是電路設計完成之后進行電路的優化和改進，以達到放大器的設計目標。最后是畫原理圖和采用Altium Design軟件完成電路的PCB版圖制作、電路調試以及實物制作。

0 引言

隨著無線通信業務的不斷發展，人們對無線系統的射頻接收機提出了越來越高的要求，如低功耗、低噪聲等。因此，處于射頻接收系統最前端的LNA(LNA)對于提高系統性能起到了關鍵作用，其性能指標的好壞對接收機整體性能有很大的影響。

LNA主要對天線接收來的弱信號進行放大，并且要把功率電平增加到后級所需要的標準，這意味著LNA必須有低噪聲特點，弱信號才不會被噪聲所淹沒;其次LNA還要有高增益特點，輸出才能驅動后級電路，也為了抑制后面各級電路噪聲對整個系統的影響。

另一方面，LNA一般是通過傳輸線和天線相連，放大器必須與之有良好的阻抗匹配，以達到最大的傳輸功率和最小的噪聲系數。但往往微波放大器的最大增益和最小噪聲系數不能同時擁有，這需要設計者在最大增益和最小噪聲系數之間權衡。

本論文采用ADS2011仿真軟件，使用Avago公司的ATF54143晶體管作為主要器件，設計了一款頻率范圍為2.35～2.45GHz、中心頻率為2.4GHz的LNA，其性能指標為：噪聲系數<1dB，增益>13dB，輸入輸出駐波比<2，并做出實物以及通過測試基本上達到了預期的效果。

1 微波LNA設計

本設計采用Avago公司的高電子遷移率晶體管(PHEMT)ATF54143芯片進行LNA設計。本設計采用安捷倫(Agilent)公司開發的ADS(Advanced Design System)2011完成設計仿真。完成該放大器設計，需要以下幾個步驟：下載安裝相應的元件庫;直流偏置設計;穩定性分析;噪聲系數分析;輸入、輸出匹配;參數優化。

ATF54143芯片具有高增益、高線性度以及低噪聲的特性，適用于450MHz～6GHz頻段無線系統的LNA電路中。ATF54143在工作頻率為2.4 GHz、電壓在3V、電流為40mA時，最小噪聲為0.51dB，最大增益為16dB。

設計一個LNA第一步是確定晶體管的靜態工作點。按設計出的偏置電路添加元件并設計相應參數，得到LNA基本電路原理圖，如圖1所示。

接著要對電路進行穩定性分析。為了保證系統穩定，常用的方法是添加負反饋，所以在ATF54143的兩個源級(S級)兩端添加小電感作為負反饋。通過調節反饋電感值，使其在整個工作頻率范圍內穩定，得到L值為0.3nH，仿真結果如圖2所示。

從圖中可知添加反饋電感為0.3nH后，穩定系數在2.4G時為1.003>1，此時可以判定為放大器工作穩定。

然后進行噪聲系數分析，畫出噪聲系數圓和增益圓的Smith圓圖，如圖3所示。

從圖中可以看出放大器的噪聲系數最小值和最大增益不重合，最小噪聲系數為0.445dB，最大增益為16.283dB。

接著進行輸入輸出阻抗匹配。由于噪聲系數最小值和最大增益不重合，在設計輸入阻抗時第一級往往按最小噪聲系數來設定。從噪聲圓圖中可以看出最小噪聲系數時輸入阻抗為22.925-i*11.346，為了達到最小噪聲系數，在晶體管的輸入端需要滿足最佳源反射系數Γout的要求，而整個電路的輸入阻抗為Z0=50 Ω，所以需要添加輸入匹配網絡達到Z0到22.925-i*11.346的變化。最后得到輸入匹配后的仿真結果，如圖4所示。

從圖4中可以看出輸入噪聲系數達到了最小值。說明此時電路輸入端匹配很好。輸出匹配最終目的是盡可能達到最大的增益。

需要注意的是由于放大器屬于二端口網絡，輸出阻抗會影響到輸入阻抗，所以當設計好輸出匹配后輸入匹配會有所偏離，此時需要通過Tuning優化工具進行優化以達到最佳參數。在優化前先將電路中的微帶線實際添加到電路。在原理圖中把計算出的實際長度代替理想微帶線，同時在電源端添加幾個分立電容濾波，電源口開始加入3個電容，分別是1 μF、0.01 μF、10pF。經過Tuning工具進行最后的優化，經過擇優確定最后的參數。得到最終的仿真結果如圖5所示。

綜合以上各圖可知，在2.35～2.45GHz范圍內，S21的值在16.22到15.98dB之間，S11和S22的值均小于-10dB，因此增益符合技術指標要求。輸入輸出駐波比分別在1.36到1.40和1.38到1.54之間，基本符合技術指標要求。穩定性因子大于1，絕對穩定，噪聲系數小于1，符合技術指標要求。根據原理圖優化后的結果可知各項指標均滿足要求。

2 LNA的實現和測試結果

根據仿真結果選擇并且擺放元器件，由于輸入輸出端用到了傳輸線匹配網絡，在畫時要考慮到線的寬度和長度。還有ATF54143本身不穩定，需要在S級處添加一小段傳輸線以保證系統穩定，具體參數在前面的仿真中已經確定。為了保證接地面的等勢性，在電路板上需要大面積敷銅并在敷銅上加入多個過孔。再者由于在微波段過孔會產生大量寄生電容、電感影響，所以所涉及的元器件都采用貼片封裝形式。為了避免信號傳輸線上因為過孔產生影響，輸入輸出使用的SMA射頻連接器接口直接焊接在一小段線上連入電路避免使用過孔。本設計電路中的電容和電感不使用ADS自帶的理想元器件，而采用村田公司(MuRata)的相關器件。ATF54143使用SOT封裝。繪制的版圖如圖6所示。

實物圖如圖7所示。

本文設計的LNA的主要測試指標有：增益、噪聲、駐波比。本次完成測試的有增益及駐波比，使用的儀器有：HD6618綜合測試儀、NDY網絡分析儀、穩壓電源。

增益及駐波比測量結果如表1所示：

經過以上測試表明基本指標達到要求，增益在頻率范圍2.35～2.45GHz內為13.2～15.11dB，駐波比在2.35～2.45GHz內為1.105～2.3，中心頻率2.4GHz為1.78，小于2。

3 結束語

現代社會對低成本以及高性能無線通信產品的需求大大推進了射頻集成電路的發展，使得射頻電路設計成為人們研究的熱點。微波LNA是接收機的關鍵部件。因此提高前端LNA的性能對改善整個接收機的靈敏度具有重要意義。

在這種背景下，本文設計并實現了基于ATF54143芯片的單級LNA，其主要運用于工作頻率在世界公用無線頻段2.4GHz的射頻接收機的前端。采用ADS2011仿真軟件，設計了頻率范圍為2.35～2.45GHz、中心頻率為2.4GHz的LNA，其性能指標為：噪聲系數<1dB，增益>13dB，輸入輸出駐波比<2，基本上達到了預期的效果。

作者：中國地質大學機電學院 嚴 彬 許 進 呂惠寧