4.9到6.0GHz低噪声放大器E-pHEMT的设计（一）

　　低噪声放大器(LNA)对于增大微波接收机的灵敏度和接收范围是非常重要的。为了满足在4.9-6.0GHz(覆盖了IEEE 802.11a, HiperLAN2和 HiSWANa的无线局域网WLAN(wireless local area network)接收机的使用范围)的范围内使用，一项基于E-pHEMT设备技术的两极设计可以使放大器在5.5GHz时具有22.2dB增益、低噪声指数1.4dB、线性输出功率(P-1dB) +11.5 dBm以及三阶输出截距点(OIP₃) +28 dBm。

　　由于具有宽频范围，LNA设计可以用于北美、欧洲和日本的WLAN接收机。这些波段涵盖了北美的5.15-5.35 GHz和5.725-5.825 GHz(802.11a)、欧洲的5.15-5.35 GHz和 5.470-5.725 GHz(HiperLAN)以及日本的5.15-5.25 GHz(HiSWANa)。这种放大器的两极是基于安捷伦科技(Agilent Technologies)的型号为ATF-551M4的低噪音E-pHEMT晶体管(数据表格可以通过以下地址：https://literature.agilent.com/litweb/pdf/5988-9006EN.pdf)而设计的。该晶体管栅宽400µm，在2-10 GHz的频率范围内具有低噪音和高截距点，采用无铅表面固定塑料封装，尺寸为1.43x1.23x0.7mm。

　　除了具有非常低的典型的噪声指数(0.5dB)外，在2GHz、2.7V偏置及漏流10mA时，ATF-551M4还可以提供+24.1dBm的OIP₃。与耗尽型pHEMT使用负向电压相比，E-pHEMT的优点在于偏置设计更加简化，只需要一个偏置的正相栅极电压，而产生这样的偏置电压就需要由一个简单的电压分配器提供一个从漏极到栅极的小的正相电压，进而产生一个额定漏电流。

　　为了满足噪声指数和增益的要求，漏源电流(I_ds)选为15mA。从设备数据表可以看出，该值可以提供很好的IP₃和很低的噪声指数。从该表还可以看出2.7V漏源电压(V_ds)使增益稍微有所提高，并且能够很容易的使用3.3V电源。

　　使用安捷伦科技的EEsof设计系统(ADS)软件可以通过线性或非线性的操作模式对放大器电路进行模拟。对于线性分析，可以用Touchstone格式的两端口S-参量对晶体管进行建模，该格式的文件ATF551M4.s2p可以从安捷伦无限设计中心网站。除了增益、噪声指数以及输入输出回波损耗信息以外，模拟过程也对电路的稳定性进行重点研究。通过计算机模拟，可以很容易地计算出Rollett稳定系数(K)并画出稳定性圆。

　　ADS额定优化(也称作性能优化)工具用于性能原件值的选择。该工具可以用来修改一组参数值以满足预定的性能目标，这是通过比较计算和需要的响应并修改设计参数值而使计算的响应更接近目标性能而实现的。在进行任何类型的分析如AC、DC、S参数、谐波平衡、电路封装以及瞬态仿真时，存在于ADS模拟器中的额定优化都可以用来进行模拟/RF系统仿真。对4.9 - 6.0 GHz带宽内的增益、噪声指数和回波损耗、带外增益以及0.1 - 18 GHz内的无限稳定性设立目标值。举一个额定优化的例子，optex1_prj可以在ADS帮助库的第二章«调整、优化和统计设计»部分找到。

　　工作在6GHz的优化工具必须具有电阻、电感和电容的等效电路模型。这些模型必须包括封装寄生电感、电阻和电容，这样就可以在使用优化工具时允许元件值在很小的范围内改变，并与测量数据准确关联。图1所示为无源元件模型和ADS优化工具。需要注意的是，每个制造商的无源元件的寄生特性都略有不同。

　　图2给出的演示板主要是为5-6 GHz内应用而开发的。为硬度起见，这个印刷电路板(PCB)是三层结构。顶层是信号层，是0.010英寸厚的FR4，介电常数4.2；第二层和第三层仅是为了增加硬度。该板使用小型EIA0402 (0.04 x0 .02 英寸/ 1.0 x 1.5 mm, 额定值)形状因数的表面封装元件。使用微波传输带线代替0402电感，可以降低电路损耗，但也使布线任务增大。电路实际需要的6x15 mm区域用蓝色标出。

　　图3所示为两极放大器的原理图。放大器利用一个带通网络实现输入匹配，一个高通网络实现输出匹配，通过高通网络进行级间匹配。

　　输入网络是噪声指数与合理输入回波损耗之间的折衷，包括串连电容C1、并联电感L1和并联电容C12。使用如图所示的演示板进行布线时，在L1之前的安装垫必须使用铜片进行过渡(使用安装垫的目的是获得低通阻抗匹配网络拓扑)。