【正文】 ???? ， 對于特定的晶體管 S1 S22是確定的，不同的源反射系數(shù)Γ 1 和負載反射系數(shù)Γ 2 ，可以構成恒定增益圓，設計時只須將源和負載反射系數(shù)分別匹配到相應的圓上，便能得到相應的增益。另外設計中還要注意增益平坦設計主要是高端共軛匹配，低端校正，一般還需在多個中間頻率上進行增益規(guī)定性校驗，在高頻應用時由于微波晶體管本身的增益 一般隨著頻率的升高而降低，為了保證電路在低頻率段的增益恒定和穩(wěn)定性可以 考慮在輸入輸出端采用高通匹配方式。 S12 越大，內(nèi)部反饋越強，反饋量達到一定強度時，將會引起放大器穩(wěn)定性變壞，甚至產(chǎn)生自激振蕩。 S21 越大，則放大以后的功率越強。 一個微波管的射頻絕對穩(wěn)定條件是 ： 22 21 1 2 21 2 2 11 2SSSS ?? （ △ =|S11*S22S12*S21| ） （ 212） 2 12 2111 1S S S?? ， 2 12 2122 1S S S?? K 稱為穩(wěn)定性判別系數(shù)， K 大于 1 是穩(wěn)定狀態(tài)，只有當式中的三個條件都滿足時，才能保證放大器是絕對穩(wěn)定的。 為改善微波管自身穩(wěn)定 性，有以下幾種方式： 1）串接阻抗負反饋 在 MESFET 的源極和地之間串接一個阻抗元件，從而構成負反饋電路。在實際的微波放大器電路中，電路尺寸很小，外接阻抗元件難以實現(xiàn)，因此反饋元件常用一段微帶線來代替，它相當于電感性元件的負反饋。則 ? ＝ 0??? ?0 為加隔離器前的反射系數(shù)， ? 為加隔離器后的反射系數(shù)。 (4) 隔離器本身端口駐波比要小。在不少情況下，放大器輸出口潛在不穩(wěn)定區(qū)較大，在輸出端加 ? 型阻性衰減器，對改善穩(wěn)定性 相當有效。 對微波電路中應用的低噪聲放大管的主要要求是高增益和低噪聲以及足夠的動態(tài)范圍，目前雙極型低噪聲管的工作頻率可以達到幾個千兆噪聲系數(shù)為幾個分貝，而砷化鎵小信號的場效應管的工作頻率更高，噪聲系數(shù)可在 1 分貝以下。 2）微波低噪聲管要有足夠高的增益和高的動態(tài)范圍 ,一般要求放大器工作增益大于 10dB 以上 , 當輸入信號達到系統(tǒng)最大值時由放大器非線性引起的交調(diào)產(chǎn)物小于系統(tǒng)本底噪聲，對于 ZXPCS 大基站項目由于最大輸入信號小于44dBm，考慮到放大器 13dB 左右增益，我們選取了 ATF34143 場效應管它的增益可達 15dB， OIP3 為 30dBm左右。 本設計采用安捷倫公司的 ATF54143， ATF54143 是一種增強型偽高電子遷移率晶體管 (EpHEMT)，具有噪聲低，增益高，線性范圍大等特點，是做 2GHz頻率低噪聲放大器的很好的選擇。因此 ,atf54143 的偏置電路更像是雙極型晶體管的偏置電路。 其封裝模型如圖 所示。 穩(wěn)定性計算 穩(wěn)定判別公式： 22 21 1 2 21 2 2 11 2SSSS ?? （ △ =|S11*S22S12*S21| ） （ 31） 查看 Data sheet 計算出在 f= 附近時的 K 值，此時管子的 S 參數(shù)如下： S11=* S12=+j* S21=+j* S22=* K=， K1， 可知該管子在該頻率附近不是絕對穩(wěn)定的， 由于 AFT54143在工作頻段內(nèi)不是絕對穩(wěn)定的，為了提高放大器的穩(wěn)定性， 可以 在輸出端并聯(lián)一個 100Ω的電阻。 在源極串聯(lián)電感后，可以增加晶體管雙端口網(wǎng)絡輸入阻抗的實部，而虛部基本保持不變，使其逐漸與最佳噪聲匹配的阻抗重合；另一方面，增加一個無源元件不會使晶體管的噪聲性能 惡化其反饋量對于帶內(nèi)帶外的電路增益、平穩(wěn)性和輸入輸出回波損耗有著巨大的作用 。放大器 PCB 板的設計考慮到源端的電感量是變化的。放大器的每一段源端蝕刻與相應的地端相連的長度大約有 0． 05 英寸 (是從源端邊緣與其最近的第一個地過孔邊緣間測得 )，剩余并末使用的源端蝕刻可切斷除去。為避免這種情況，在初始 LNA 的設計原型階段，盡量準確地確定源端電感的量值，并且仿真中也要調(diào)節(jié)源端電感量的大小，找出最優(yōu)值優(yōu)化 LNA 性能。其不僅僅被用于獲得低的噪聲系數(shù)，同時它還可以用于獲得更高的 IIP3，更高的增益以及輸入回波損耗。 因此，輸入端匹配的目的就是在保持較好的增益和 IIP3 的同時獲取更好的回波損耗和噪聲系數(shù)。 輸出匹配網(wǎng)絡一般是為獲得最大功率和最低駐波比而設計，故在次設計中我們采用輸出共軛匹配網(wǎng)絡。 安捷倫公司的 ATF54143 是一種增強型偽高電子遷移率晶體管 (EpHEMT)，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) ，在此設計中柵極和漏極采用同一電源提供工作電壓。根據(jù)器件 特性選擇最佳條件，這里選取 ATF54143 的典型直流工作點參數(shù)： Vds=3V，Ids=60mA；偏置的方 式采用了電阻偏置，它有較好的溫度穩(wěn)定性。當 Vgs=0V， 漏極只有少量的電流通過，只有當 Vgs≧ Vto（柵極門電壓）時漏極才有電流通過。在 data sheet 中已經(jīng)標出最小和最大的 Vgs 電壓。 電路中需要注意的一些問題 在低噪聲放大器的設計中，應充分考慮整個接收機的動態(tài)范圍，以免在接收機后級造成嚴重的非線性失真，一般應選擇低噪聲放大器的輸入三階交調(diào)點 IIP3較高一點，至少比最大輸入信號高 30dB，以免大信號輸入時產(chǎn)生非線性失真。 S12 越大，內(nèi)部反饋越強，反饋量達到一定強度時，將會引起放大器穩(wěn)定性變壞，甚至產(chǎn)生自激振蕩。 S21 越大，則放大以后的功率越強。 一般對于低噪聲放大器采用高 Q 值的電感完成偏置和匹配功能，由于電阻會產(chǎn)生附加的熱噪聲，放大器的輸入端應盡量避免直接連接到偏置電阻上。 四、設計目標 本實例采用的是高電子遷移率晶體管 ATF54143 芯片進行低噪聲放大器設計。增益約為 16dB，因此就把該點作為晶體管的直流工作點。后面會用相近的常規(guī)標稱值電阻代替。另外 ，放大器的直流和交流通路之間要添加射頻扼流電路，它實際上是一個無源低通電路，使直流信號能夠傳輸?shù)骄w管引腳。 在此時，整個電路在低頻端不穩(wěn)定， 并且低頻段的增益還是比較高，實際電路中可能會引起自激振蕩，解決此問題的辦法就是用較小的截止阻抗。 得到等增益圓和噪聲系數(shù)圓如下： c i r _ p t s ( 0 . 0 0 0 t o 5 1 . 0 0 0 )GaCircleR e a d o u tm4m6circleDatam5m4i n d e p ( m 4 ) =G a C i r c l e = 0 . 8 0 9 / 1 4 6 . 2 7 9g a i n = 1 6 . 1 5 3 2 9 6i m p e d a n c e = Z 0 * ( 0 . 1 1 5 j 0 . 2 9 9 )51m6i n d e p ( m 6 ) =G a C i r c l e = 0 . 5 1 5 / 1 2 6 . 8 1 1g a i n = 1 5 . 1 5 3 2 9 6i m p e d a n c e = Z 0 * ( 0 . 3 9 1 j 0 . 4 3 8 )50m5i n d e p ( m 5 ) =c i r c l e D a t a = 0 . 3 2 4 / 1 4 3 . 5 7 6n s f i g u r e = 0 . 4 9 0 6 4 5i m p e d a n c e = Z 0 * ( 0 . 5 5 1 j 0 . 2 3 6 )51 由該圖可知， m4 有最大增益時的輸入阻抗，此時最大增益為 。 對于低噪聲放大器，首先考慮的是噪聲系數(shù)，所以這里優(yōu)先考慮噪聲系數(shù)。 ADS 提供了 許多的匹配工具，這里采用 DA SmithChartMatch 進行匹配 。 得到其匹配子電路如下： 最大增益的輸出匹配 最大增益輸出匹配需要滿足： 負載 50 歐姆在加入輸出匹配網(wǎng)絡后的等效負載需要為輸出端阻抗的共軛值。 結論分析 由以上系列圖可知： 輸出反射小于 27dB,輸出反射參數(shù)接近 13dB，穩(wěn)定性 1,最小噪聲系數(shù)達到，增益達到 17dB 左右，基本滿足設計目標，只有輸出駐波比為 左右。