lt;b>安捷伦科技有限公司半导体产品事业部/中国区应用工程师 鲁 效</b>
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()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 “最后一英里” 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。
<b>目标分析</b>
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：Fmin =0.65dB,Ga=14.5dB,OIP3=+37.2dBm,(VSWR≈4.1),。
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。
<b>射频输入端匹配</b>
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。
<b>输入匹配网络设计</b>
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20 dB输入回波损耗和0.82 dB噪声系数。显然，测量结果和理论分析以及ADS仿真一致。
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()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 “最后一英里” 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。
<b>目标分析</b>
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：Fmin =0.65dB,Ga=14.5dB,OIP3=+37.2dBm,(VSWR≈4.1),。
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。
<b>射频输入端匹配</b>
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。
<b>输入匹配网络设计</b>
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20 dB输入回波损耗和0.82 dB噪声系数。显然，测量结果和理论分析以及ADS仿真一致。
