寬帶低噪聲放大器ADS仿真與設(shè)計
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2．4 輸出匹配電路
根據(jù)圖1所示，第二級二端口網(wǎng)絡(luò)的輸入匹配電路其實是級間匹配電路，根據(jù)功率增益最大準則設(shè)計輸出匹配電路，采用共軛匹配方式，要求此時級間電路的輸出阻抗與后級微波管輸入阻抗共軛匹配，后級微波管輸出阻抗與輸出匹配電路的輸入阻抗共軛匹配。放大器具有最大功率增益和最佳的端口駐波比性能。當信源和負載都為50 Ω時，放大器的實際功率增益為：
2．5 偏置電路設(shè)計
由于噪聲系數(shù)與晶體管的靜態(tài)工作點有密切的關(guān)系，所以必須選擇合適的偏置電路，才能讓放大器工作在最佳狀態(tài)下。該電路采用雙電源供電，所謂雙電源是指漏極正電壓和源級負電壓分別用正壓和負壓兩個電源供電。在初步的電路設(shè)計中，可以根據(jù)器件的S參數(shù)模型提供的偏置條件，用串聯(lián)分壓電阻將放大器的靜態(tài)工作點設(shè)置為VD=2 V，IDS=10 mA。饋電方式選擇λ／4高阻微帶線端接70°的扇形線，λ／4高阻微帶線以遏制交流信號對直流電源的影響，扇形線對高頻短路，又相當于電容，可以濾除電源噪聲，尤其適合寬頻帶的設(shè)計。當在低頻段時，引入衰減，把增益的尖峰消除，改善增益平坦度。在以后的調(diào)節(jié)優(yōu)化過程中，可以適當改變分壓電阻，以追求更好的整機性能。
3 仿真與優(yōu)化
首先要在ADS中定義介質(zhì)參數(shù)，本文選用Rogers4003介質(zhì)板，在進行ADS仿真時需要設(shè)置介電常數(shù)εr=3．38和介質(zhì)板厚度h=0．5 mm。
其次要建立晶體管芯的模型，模型的形式有兩種，一種是SP模型：屬于小信號線性模型，模型中已經(jīng)帶有了確定的直流工作點，和在一定范圍內(nèi)的S參數(shù)，仿真時要注意適用范圍。該模型只能得到初步的結(jié)果，對于某些應(yīng)用來說已經(jīng)足夠，不能用來做大信號的仿真，或者直流饋電電路的設(shè)計，不能直接生成版圖。另一種是晶體管的SPice電路參數(shù)模型，一般由芯片公司提供，可以在ADS中安裝NEC公司提供的Design Kit，該工具包集成了NEC系列低噪聲放大器的FET，JBJT，HJ-FET，選擇FET中的NE3210S01。由于Design Kit中的元器件是已經(jīng)封裝好的晶體管，其仿真的結(jié)果要比使用S參數(shù)模型的晶體管模型要可靠。很多時候，在對封裝模型進行仿真設(shè)計前，通過預(yù)先對SP模型進行仿真，可以獲得電路的大概指標。
考慮過孔寄生效應(yīng)，在高頻段對電路的仿真效果影響較大，所以晶體管源級與地之間加入接地過孔。在微帶線連接處用階梯變換接頭或T型接頭進行連接，從而獲得更精確的仿真模型。在輸入和輸出的最前段，采用標準的50 Ω傳輸線與λ／4耦合微帶線相連。
上述的仿真都是在f=12 GHz單頻點內(nèi)仿真得到的微帶線的大致尺寸，為了能夠使得電路在3 GHz的帶寬下依然保持優(yōu)良的性能，就必須要對電路實施優(yōu)化。在優(yōu)化前可以先用調(diào)諧工具手動調(diào)整各元件參數(shù)，觀察哪些參數(shù)對電路的性能比較敏感，在優(yōu)化時應(yīng)當優(yōu)先考慮調(diào)節(jié)。
常用的優(yōu)化方式分為隨機優(yōu)化(random)和梯度優(yōu)化(gradient)，隨機法通常用于大范圍搜索，梯度法則用于局域收斂。優(yōu)化時可設(shè)定少量的可變參數(shù)，對放大器的各個指標分步驟進行優(yōu)化，先用100～200步的隨機法進行優(yōu)化，后用20～30步的梯度法進行優(yōu)化，一般可達最優(yōu)結(jié)果。
最后再整體仿真，看是否滿足到指標要求。若優(yōu)化結(jié)果達不到要求，一般需要重設(shè)參數(shù)的優(yōu)化范圍、優(yōu)化目標或考慮改變電路的拓撲結(jié)構(gòu)，然后重新進行仿真優(yōu)化。在仿真中要考慮到實際微帶線加工的精度和最小尺寸，按照加工精度，有些線條太細是不能實現(xiàn)的，另外追求小數(shù)點后面的多位精確也是無實際意義的。一般微帶線線寬不應(yīng)該小于0．2 mm，保留小數(shù)點后2位即可(單位：mm)。
經(jīng)過反復(fù)的優(yōu)化仿真，最終的參數(shù)滿足了所提出的設(shè)計指標：在10～13 GHz頻帶內(nèi)，噪聲系數(shù)：小于1．8 dB，增益為25．4 dB±0．3 dB，輸出駐波小于1．6，輸入駐波小于2。ADS優(yōu)化后的各個參數(shù)指標如圖2、圖3所示。本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/187780.htm
4 版圖設(shè)計
利用AutoCAD將優(yōu)化后的最終結(jié)果繪制成版圖，注意要在匹配微帶線加入隔離小島，以便以后的調(diào)試，可以適當?shù)馗奈Ь€的尺寸，獲得更好的性能。在電路的四周大面積附銅，并留下較密集的金屬化接地過孔，增強電路的接地性能。四個角處留有螺絲孔，可以將電路板固定在金屬屏蔽盒內(nèi)。最終的版圖如圖4所示。
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