射頻低噪聲放大器創新設計性實驗實踐探索

劉宏梅，張 妍，房少軍

（大連海事大學 國家級電工電子實驗教學示范中心，遼寧 大連 116026）

隨著科學技術的不斷進步，無線通信設備正朝著頻率高、功能強、功耗低的方向發展[1-2]。在射頻微波領域，“射頻電路設計”是一門必修課程[3]。為了加深學生對課程中繁復的公式及理論內容的理解，近年來各高校紛紛開設射頻實驗課程，但大多僅限于用矢量網絡分析儀或頻譜儀測量一些基于微帶電路設計的射頻器件[4]，后又逐步設計實現了針對射頻無源器件的可重復使用的射頻無源電路實驗裝置[5-10]。

目前，實驗室可重復使用的射頻實驗裝置大多是針對無源器件的。但射頻電路不僅包括無源電路，還包括有源電路。其中，低噪聲放大電路是一種重要的射頻有源電路。它的作用是放大天線從空中接收到的微弱信號，減少噪聲干擾，以供系統解調出信息數據[11]，一般用作各類無線電接收機的高頻或中頻前置放大器，以及高靈敏度電子探測設備的放大電路。但目前并未發現有關低噪聲放大電路的實驗板。

針對射頻有源實驗設備短缺的情況，我們結合射頻電路設計課程，設計實現了一種可重復使用、成本低的自主設計型低噪聲放大電路實驗裝置。基于該實驗裝置，學生可以利用ADS 軟件自主設計低噪聲放大器的輸入和輸出阻抗匹配電路；根據設計好的尺寸剪裁銅箔，并將銅箔貼在實驗裝置中的自主設計區域；將設計好的低噪聲放大器連接測試設備；根據測試結果調試匹配電路結構，獲得最佳性能。測試結果表明，基于該實驗裝置設計完成的射頻低噪聲放大器不僅能夠實現良好的實驗教學效果，還能夠用于教師的科研開發。

1 射頻低噪聲放大電路實驗裝置的設計

圖1 給出了低噪聲放大電路實驗裝置的構成框圖。該裝置由介質板、低噪聲放大電路和偏置電路保護罩構成。其中低噪聲放大電路又分為低噪聲放大芯片、直流偏置電路、輸入/輸出匹配設計區域和供電裝置。

圖1 實驗裝置構成框圖

考慮到適合手工加工的微帶線寬度為2～4 mm，為降低成本，選用介電常數為4.4、厚度為1.5 mm 的雙面覆銅FR4 板作為實驗裝置的介質基板。該基板對應的50 Ω 微帶線的線寬為2.85 mm。

考慮到與所選FR4 板和測試設備（矢量網絡分析儀）的適配性，以及成本和性能等方面的因素，選用SMA 接頭作為低噪聲放大器的輸入和輸出端口。從穩定性及價格方面考慮，選用了ATF54143 低噪聲放大芯片。直流偏置電路采用經典的三電阻分壓方式。從ADS 軟件的器件庫中調用ATF54143 模型仿真，得到它的工作電壓為：柵源電壓Vgs=3.16 V，漏源電壓Vds=0.57 V。為使直流偏置電路能夠正常工作，通過計算并考慮到常用電阻值的限制，最終選取三個電阻的阻值分別為82 Ω、620 Ω 和33 Ω。

為保護直流偏置電路，設計了一個透明的保護罩，并采用3D 打印技術加工成品。保護罩采用透明材質，方便學生觀察直流偏置電路的結構。在保護罩上留有兩個圓孔，方便學生使用萬用表測量低噪聲放大芯片的柵極和漏極工作電壓，以確定直流偏置電路的工作狀態。出于安全性和易操作性考慮，采用5 V 插拔式供電裝置供電。該供電裝置由電源座和可插拔電源線構成，電源座采用兩腳接插件，電源線的一端與接插件連接，另一端是USB 接口，與手機充電器連接。

理論上該射頻低噪聲放大電路實驗裝置能實現的頻率范圍為0.8～2.0 GHz。由于實驗裝置的尺寸大小與中心頻率對應的波長成正比，而頻率越低所對應的波長越長，因此以800 MHz 為依據確定實驗裝置的尺寸。在此基礎上，考慮到需預留足夠的輸入/輸出匹配電路設計區域，最終確定低噪聲放大電路實驗裝置的總尺寸為150 mm×70 mm。

2 射頻低噪聲放大電路實驗裝置的實現

加工實驗裝置所需的主要材料有：雙面覆銅FR4板一塊，SMA 接頭兩個，5 V 插拔式電源座及電源線，電子元件（電容、電感和電阻），雙面導電銅箔和透明保護罩。

加工流程如下：

（1）切割實驗板。使用雕刻機切割一塊尺寸為150 mm×70 mm 的雙面覆銅FR4 板。

（2）非設計部分電路結構實現。FR4 板正面保留直流偏置電路、輸入和輸出端口50 Ω 微帶線的覆銅部分，采用腐蝕技術將其他銅去掉。FR4 板背面保留銅作為地板，僅在與5 V 插拔式供電裝置對應的位置上腐蝕掉一個方槽，將電源正極與負極分開。

（3）偏置電路設計。采用經典的三電阻分壓式偏置電路，直流偏置電路的結構如圖2 所示。其中旁路電容選用150 pF 的貼片電容，扼流電感選用100 nH的貼片電感。

圖2 直流偏置電路結構圖

（4）安裝接頭和電源座。將兩個SMA 接頭分別與輸入、輸出50 Ω 微帶線焊接。電源座的一腳與低噪聲放大電路供電線焊接，另一腳與地板焊接。

（5）加工并安裝保護罩。采用CREALITY 3D 打印機加工透明保護罩。使用打孔機在介質板上與保護罩四腳對應處打孔，放置保護罩并用螺絲鎖緊。

加工后的低噪聲放大電路實驗裝置如圖3 所示。實驗裝置的正面從左到右依次是輸入端50 Ω 微帶線、輸入匹配設計區域、芯片和偏置電路、供電裝置、輸出匹配設計區域和輸出端50 Ω 微帶線。背面由地板和方形槽組成。其中方形槽位于接插件后方，用于將電源的正極和負極隔開。

圖3 低噪聲放大電路實驗裝置實物圖

3 射頻低噪聲放大器設計實驗過程

下面以900 MHz 低噪聲放大器的設計為例，說明如何設計該低噪聲放大電路實驗裝置。

具體設計步驟如下：

（1）穩定性分析。在ADS 軟件中仿真，觀察穩定系數K 的曲線，只有穩定系數K＞1 放大器電路才會穩定[12]。經仿真，在芯片的兩個源極與地之間分別加一個1.2 nH 的負反饋電感能使穩定系數K＞1。

（2）輸入阻抗匹配。通過調用 ADS 軟件中的[S-Parameter Simulations]模板仿真，可以得到輸入阻抗值，再用軟件中的史密斯圓圖對芯片的輸入端口進行匹配[13]。輸入端匹配遵循最小噪聲原則，采用微帶線匹配結構。輸入端的匹配過程如圖4 所示。

（3）輸出阻抗匹配。調用[S-Parameter Simulations]模板仿真得到輸出阻抗值，輸出端口的匹配同樣在ADS 軟件中借助史密斯圓圖來完成。輸出端匹配遵循最大增益原則，也采用微帶線匹配結構。輸出端的匹配過程如圖5 所示。

（4）版圖聯合仿真。將設計好的電路生成版圖與原理圖進行聯合仿真，觀察S 參數仿真結果。通過調節各匹配枝節的長度和寬度優化聯合仿真結果，優化后的結果如圖6 所示。

圖4 輸入阻抗匹配

圖5 輸出阻抗匹配

由圖6 可得，仿真得到的低噪聲放大電路在中心頻率900 MHz 處的S11為-20.027 dB，S21為17.743 dB，S22為-20.203 dB。

（5）加工制作。記錄最優仿真結果對應的各微帶線匹配枝節的長度和寬度。使用小刀切割同尺寸的雙面導電銅箔，粘貼在輸入和輸出匹配設計區域，實物如圖7 所示。

（6）實物測試。接通5 V 電源，用萬用表測量直流偏置電路的工作電壓是否正確，用頻譜儀測量是否有自激現象。當工作電壓正常且無自激產生時，將實驗裝置與已校準的矢量網絡分析儀連接，測試該低噪聲放大器的性能。測得的S 參數結果如圖8 所示。

圖8 S 參數實物測試結果圖

由圖8 可得，自主設計的低噪聲放大器在中心頻率900 MHz 處S11約為-25 dB，S21約為12 dB，S22約為-32.7 dB，與聯合仿真結果較吻合。

4 結語

本文提出了一種可自主設計的低噪聲放大電路實驗裝置，打破了國內高校射頻有源電路實驗裝置短缺的困局，結合本校開設的射頻有源電路設計實驗課程，能夠提高學生的自主設計能力，培養創新意識，并加深對課程內容的理解。

實踐表明，本文提出的低噪聲放大電路實驗裝置具有易制作、成本低、可重復利用、安全性高等優點，適用于射頻有源電路設計課程配套的實驗課。本裝置使用了特制的插拔式供電方式，規避了供電上的危險。通過采用銅箔粘貼方式替代電烙鐵焊接方式，實現放大器輸入和輸出端口匹配，提高了操作中的安全性。