基于FR4板材的3.3-3.8GHz 802.16a WiMAX低噪声放大器设计

     摘要：本文利用安捷伦科技的E-PHEMT(增强型伪高电子迁移率晶体管)ATF-54143，给出了一个基于便宜的FR4环氧玻璃基覆铜板设计的工作在3.3-3.8GHz，可用于IEEE802.16a WiMAX客户端设备(CPE)和基站(BTS)的低噪声放大器。
    
     FR4板材(δ=0.04, εr=4.6)的高的插损因数(δ)以及相应变化的介电常数(εr)通常限制了其在3GHz以上的应用1。对于更高的频率，设计人员通常会使用较昂贵的如Rogers RO4350B2玻璃加固碳氢化合物/陶瓷基材料(典型的δ=0.003，εr=3.48)。随着WiMAX作为替代光纤解决“最后一公里”宽带接入的方案的急速发展，人们正在设计并测试工作于3.5GHz左右的WiMAX客户手持设备(CPE)和基站(BTS)。因此，在FR4板材上设计WiMAX电路能够帮助降低收发信机的成本。基于理论分析和ADS仿真，本文给出了一个利用安捷伦E-pHEMT晶体管放大器ATF-54143，成功设计于FR4板材上的WiMAX低噪声放大器的设计。
    
     目标分析
    
     在3.5GHz，只需要给该E-pHEMT 低噪声放大器＋3.6V单电源供电，就可以获得0.82dB的噪声系数(NF), 12.8dB增益，+19dBm输出1dB增益压缩点(OP1dB), 36.7dBm三阶交调点(OIP3)，－20dB输入回波损耗(IRL)以及-12dB输出回波损耗(ORL)的射频指标。
    
     为了获得好的噪声系数，增益的同时获得好的线性度，选取该器件沟道电流(Ids)为60mA，漏极到源极电压为3V，从而栅极到源极电压为0.59V。根据ATF-54143的datasheet3，该E-pHEMT晶体管具有如下典型值：
    
     通过使用安捷伦的Advanced Design System (ADS)软件，可以对该电路线性和非线性工作模式分别进行仿真。可以利用Touchstone格式的双端口S-参数文件进行增益，噪声系数以及输入/输出回波损耗的仿真；而基于datasheet3的ADS器件模型则可以用来仿真偏置条件和线性度。
    
     由于在电路板调试中的重要性，电阻、电感、电容以及微带线的精确的等效模型对于精确仿真至关重要。因此，该设计中分别使用了Toko和Murata的器件模型作为电感和电容模型，而FR4板材供应商提供的板材特性则被用于微带线模型中。图1(a)是该电路的电原理图，图1(b)是相应的包含了所有模型的ADS仿真文件。
    
     射频输入端匹配
    
     射频输入端匹配在低噪声放大器设计中通常都起着关键性的作用。其不仅仅被用于获得低的噪声系数，同时它还可以用于获得更高的IIP3，更高的增益以及输入回波损耗。另外，由于在某些收发信机系统中在低噪声放大器前面通常会有一个滤波器，差的低噪声放大器输入回波损耗会恶化滤波器的性能，从而影响整个系统的性能。因此，输入端匹配的目的就是在保持较好的增益和IIP3的同时获取更好的回波损耗和噪声系数。
    
     从图2中知道该晶体管的，偏离比较多。这意味着在想要得到好的输入回波损耗的同时就得牺牲噪声系数；或者说在获得低的噪声系数的时侯，输入端驻波比会比较高。解决这种矛盾的最好的方法就是在得到低的噪声系数的同时获得好的输入驻波比。这可以通过一个负反馈网络将拉近来实现。
    
     负反馈将拉近
    
     根据H. Nyquist的理论，任何阻抗的噪声都取决于其电阻部分4，一个理想的无损耗元件应用于负反馈网络并不会对NFmin造成影响5.
    
     在图3中，
     (1)
     在图4中，通过在晶体管的源极引脚加源极电感Ls，输入电压可以重写为：
     (2)
     由于
     (3)
     那么 Vg 可以表达为：
     (4)
     因此等效输入阻抗为：
     (5)
     在公式(5)中，是由源极电感引入的输入阻抗，其电阻和电感部分可以帮助将拉近。
    
     通常情况下，Ls应该是一个根据公式推导优化而得的小电感。基于以上分析，通过在晶体管的两个源极端分别加上一段小微带线(宽度=长度=16mil)和接地过孔，就可以实现该电感的功能。根据测量结果，该微带线在未改变(代表NFmin)的同时确实将拉近了。由于该反馈是负反馈，在增加反馈的同时会降低增益。在该电路中，由于电感分量比较小，增益并未减小太多。
    
     输入匹配网络设计
    
     由于该低噪声放大器工作于3.5 GHz，输入端需要一个高通滤波器。在将拉近的同时，该匹配网络最好不要恶化增益。
    
     在图5中, 在小心的分配了电容，电感和微带线后，该电路输入共轭S11值为。图6是其等效电路。根据测量结果，该输入匹配网络可以帮助达到-20dB输入回波损耗和0.82dB噪声系数。显然，测量结果和理论分析以及ADS仿真一致。
    
     直流偏置
    
     完成了射频输入匹配网络设计之后，下一步就是设计电路的直流偏置。由于选定的直流偏置点是：Vgs=0.59V. Vds=3V, Ids=60mA, 可以根据图1很容易计算出直流偏置网络：
    
     其中
     Vdc=直流供电电压3.6V;
     Vds=器件漏极到源极电压3V;
     Vgs=器件栅极到源极电压0.59V；
     Ids=器件沟道电流60mA。
    
     原器件的选择
    
     在图6中，为了获得低的输入回波损耗，低的噪声系数以及高的增益，C1, TL43, L1以及TL24的值根据输入匹配网络设计中的分析来选择。而L2和L3的线长和线宽根据ADS仿真来决定。C5的SRF选择在3.5GHz来终止3.5GHz高频信号从而提高电路线性度。C3和C6用作低频旁路电容来终止高频二阶谐波分量，从而提高电路线性度。R5用于帮助终止低频喜好，并提高带内电路稳定度从而防止在两个旁路电容之间形成振荡。表1是该低噪声放大器的物料清单。
    
    
    
     ATF-54143低噪声放大器在3.5GHz的实测结果
    
     在60mA漏极电流情况下，该放大器具备12.8dB(图7)增益以及0.82dB(图8)噪声系数。图9是仿真的和实测的输入回波损耗比较，都是20dB。图10是仿真的和实测的输出回波损耗比较，均大于11dB。该放大器工作频率足够覆盖3.3GHz道3.8GHz的宽频率。图11描述的是仿真的以及实测的隔离度(S12)比较，图12是OIP3的比较。
    
     结论
    
     基于理论分析和ADS仿真，本文给出了一个设计于FR4板材上的3.3~3.8GHz WiMAX低噪声放大器。由于该放大器同时具有高的线性度(P1dB>+19dBm, OIP3>+36dBm)，该低噪放同样可以用作射频卡和客户手持设备的功放驱动放大器。实测结果验证了在FR4板材上设计3.5GHz WiMAX电路的可行性。从3.3GHz到3.8GHz的整个WiMAX 工作频段，FR4板才并不会对噪声系数和增益带来太大的影响。
    
     致谢
    
     在此，作者希望感谢安捷伦科技马来西亚的同事Eric Chan， Lim Chin-Liang和Abdullah Asrul-Sani。他们在电路调试和测试阶段给予了作者很多有价值的建议和帮助。
    
    参考文献:
    [1] Inder Bahl, Lumped Elements for RF and Microwave Circuits, Artech House, 2003, Chapter 13.
    [2] Data Sheet, RO4000® Series High Frequency Circuit Materials, Rogers Corporation, 2002.
    [3] Data Sheet, Agilent ATF-54143 Low Noise Enhancement Mode Pseudomorphic HEMT in a Surface Mount Plastic Package, Agilent Technologies, Inc., 2003.
    [4] Inder Bahl, Prakash Bhartia, Microwave Solid State Circuit Design, John Wiley & Sons, 1988, Chapter 7.
    [5] J. Engberg and T. Larsen, Noise Theory of Linear and Nonlinear Circuits, John Wiley & Sons, 1995, Chapter 6.
    [6] Stephen A. Maas, Nonlinear microwave and RF circuits, Artech House, 2003, Chapter.
    
    附图：
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
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