基于ADS仿真的寬帶低噪聲放大器設(shè)計(jì)

　　低噪聲放大器（LNA）是現(xiàn)代微波通信、雷達(dá)、電子戰(zhàn)系統(tǒng)中的重要部件，它處于接收系統(tǒng)的前端，對(duì)天線接收到的微弱射頻信號(hào)進(jìn)行線性放大，同時(shí)抑制各種噪聲干擾，提高系統(tǒng)靈敏度。由于LNA在接收系統(tǒng)中的特殊位置和作用，該部件的設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)接收系統(tǒng)的性能指標(biāo)起著關(guān)鍵作用。當(dāng)今低噪聲放大器主要采用單片微波集成電路（MMIC）技術(shù)，將所有有源器件（如雙極性晶體管或場(chǎng)效應(yīng)晶體管）和無(wú)源器件（如電阻器、電感器、電容器和傳輸線等）全部集成在一塊半導(dǎo)體晶片上，以實(shí)現(xiàn)低噪聲放大功能，具有尺寸小、重量輕、成本低及可靠性高的特點(diǎn)。

　　本文介紹了一種寬帶低噪聲放大器的設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)時(shí)首先根據(jù)性能指標(biāo)要求選擇合適的有源器件，確定相應(yīng)的工作狀態(tài)和偏置條件及器件的穩(wěn)定狀態(tài)，然后合理設(shè)計(jì)匹配電路和負(fù)反饋電路，最后對(duì)整體電路進(jìn)行優(yōu)化。設(shè)計(jì)中采用微波仿真軟件ADS對(duì)電路進(jìn)行CAD輔助設(shè)計(jì)并給出了仿真結(jié)果。

　　仿真結(jié)果表明，放大器各性能參數(shù)滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

2　低噪聲放大器電路設(shè)計(jì)與仿真

　　2.1　放大器主要技術(shù)指標(biāo)

　　本文設(shè)計(jì)的低噪聲放大器主要技術(shù)指標(biāo)：工作頻率2.7～3.1GHz,噪聲系數(shù)（NF）小于0.8dB,帶內(nèi)增益G>30dB,帶內(nèi)平坦度小于±1dB,輸入輸出駐波比（VSWR）小于1.6dB,1dB增益壓縮點(diǎn)輸入功率P1dB≥-15dBm。

　　2.2　器件的選擇和設(shè)計(jì)方案

　　考慮到增益和噪聲系數(shù)要求較高，所以選用PHEMTGaAsFET低噪聲放大管。另外，在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)前，首先要建立放大器件的小信號(hào)模型。為了設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便，一般選擇具有現(xiàn)成模型的放大器件。由于安捷倫公司為其產(chǎn)品提供了精確的ADS模型，因此采用安捷倫公司的一種增強(qiáng)型E-PHEMT管ATF541M4,該管工作頻率為0.45～10GHz,具有線性度好、噪聲系數(shù)低的特點(diǎn)，而且工作時(shí)不需要負(fù)的柵極電壓，便于單電源供電，在Vds=3V,Ids=60mA的偏置條件下，3GHz時(shí)最小噪聲系數(shù)約為0.5dB,增益為17.5dB,1dB壓縮點(diǎn)輸出功率21.4dBm,為了得到30dB的增益，采用兩級(jí)級(jí)聯(lián)放大結(jié)構(gòu)，將兩個(gè)晶體管集成在同一基片上，輸入輸出端口之間通過(guò)微帶線匹配到50Ω。

　　2.3　偏置電路的設(shè)計(jì)

　　根據(jù)ATF541M4管的數(shù)據(jù)手冊(cè)，在Vds=3V,Ids=60mA的偏置條件下，Vgs=0.58V,因此可以采用單極性無(wú)源偏置網(wǎng)絡(luò)，在管子的漏極和柵極加偏置，源極為直流接地狀態(tài)，采用常用的電阻自偏壓結(jié)構(gòu)為晶體管提供相應(yīng)的直流電壓和電流，偏置電路如圖1所示。

　　在供電電壓為5V的條件下，經(jīng)過(guò)計(jì)算R1為290Ω，R2為1195Ω，R3為286Ω，電路中的C1、C2、C3為旁路電容，C4為隔直電容，L1和L2為高頻扼流電感。為了進(jìn)一步得到精確的偏置電阻值，可以對(duì)偏置電路進(jìn)行直流仿真，根據(jù)源極和漏級(jí)電壓值對(duì)電阻進(jìn)行微調(diào)，以滿足偏置條件。

　　2.4　穩(wěn)定性分析

　　因?yàn)橛性雌骷即嬖趦?nèi)部反饋，反饋的大小取決于放大器的S參數(shù)、匹配網(wǎng)絡(luò)以及偏置條件，當(dāng)反饋量達(dá)到一定程度時(shí)，將會(huì)引起放大器輸入或輸出端口出現(xiàn)負(fù)阻，產(chǎn)生自激振蕩，因此在做端口匹配前首先要判定放大器是否絕對(duì)穩(wěn)定，射頻放大器絕對(duì)穩(wěn)定的充分必要條件是：

　　如果根據(jù)晶體管數(shù)據(jù)手冊(cè)中的S參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，則計(jì)算過(guò)程復(fù)雜，可以使用ADS中的穩(wěn)定性判定系數(shù)stab_face（s）和stab_meas（s）直接對(duì)器件進(jìn)行穩(wěn)定性分析，只有在工作頻段內(nèi)兩個(gè)穩(wěn)定性判別系數(shù)都大于1時(shí)，才能保證器件絕對(duì)穩(wěn)定。通過(guò)仿真得到穩(wěn)定性判定系數(shù)如圖2所示。由圖可知，兩個(gè)穩(wěn)定性系數(shù)在2.7～3.1GHz頻率范圍內(nèi)都大于1,所以器件絕對(duì)穩(wěn)定。

　　2.5　放大器帶寬的拓展

　　在寬帶低噪聲放大器設(shè)計(jì)中，為了保證放大器增益的線性度和帶寬，一般選用平衡放大或負(fù)反饋電路結(jié)構(gòu)。前者使用器件較多，電路復(fù)雜，而負(fù)反饋電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一般是在晶體管的輸入和輸出端口之間串聯(lián)一個(gè)電阻和一個(gè)電容，除了可以得到平坦的增益特性，而且可在寬頻帶內(nèi)降低輸入輸出駐波比，降低晶體管參數(shù)的離散性對(duì)放大器特性的影響。

　　本設(shè)計(jì)采用負(fù)反饋電路形式，在晶體管的柵極和漏極間引入負(fù)反饋。由于加入負(fù)反饋電路使得放大器增益有所下降，同時(shí)增加一定的噪聲系數(shù)，所以只將負(fù)反饋電路加在第二級(jí)放大器中。

　　2.6　匹配電路設(shè)計(jì)

　　對(duì)于工作在S頻段的放大器，輸入輸出匹配電路通常采用分布參數(shù)元件，這種類型的匹配網(wǎng)絡(luò)由幾段串聯(lián)或并聯(lián)的微帶線組成。為了在整個(gè)頻段內(nèi)得到良好的匹配效果，一般先選定中心頻率進(jìn)行匹配電路設(shè)計(jì)，然后再對(duì)電路在整個(gè)頻帶內(nèi)進(jìn)行微調(diào)優(yōu)化，因?yàn)檩斎攵瞬捎米钚≡肼暺ヅ?首先對(duì)器件進(jìn)行ADS噪聲仿真得到各頻率的噪聲系數(shù)以及對(duì)應(yīng)的最佳噪聲源反射系數(shù)，應(yīng)用ADS中單枝節(jié)匹配工具對(duì)輸入端口進(jìn)行快速匹配，其電路如圖3所示。圖中各段微帶線的特性阻抗都為50Ω，以減小匹配電路的復(fù)雜程度。在確定第一級(jí)放大器輸入匹配電路后，可以得到對(duì)應(yīng)輸出阻抗，級(jí)間匹配電路按照最大增益原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)要兼顧第一級(jí)的輸入駐波比以及整個(gè)電路的噪聲系數(shù)，所以采用T型結(jié)構(gòu)，輸出匹配電路主要用于提高增益，改善增益平坦度以及輸出駐波比。在初步確定各匹配電路后，使用優(yōu)化工具對(duì)整體電路優(yōu)化仿真，為了減小輸入駐波比，一般要對(duì)輸入匹配電路進(jìn)行微調(diào)，同時(shí)嚴(yán)格控制噪聲系數(shù)，確保各項(xiàng)指標(biāo)滿足要求。

　　2.7　低噪聲放大器拓?fù)潆娐?/STRONG>

　　本設(shè)計(jì)采用Rogers公司的TMM10i型基板，介電常數(shù)εr=9.6,基片厚度H=0.635mm,導(dǎo)體厚度T=0.01mm,金屬電導(dǎo)率Cond=5.88e+7。根據(jù)前面所述的放大器設(shè)計(jì)方法，將兩級(jí)晶體管級(jí)聯(lián)，得到低噪聲放大器的電路拓?fù)鋱D，如圖4所示。

3　仿真結(jié)果與分析

　　通過(guò)S參數(shù)及諧波平衡仿真得到低噪聲放大器的各項(xiàng)參數(shù)，功率增益如圖5所示。圖中表明，放大器在工作頻段內(nèi)增益大于30dB,并具有良好的增益平坦性能，增益平坦度小于1dB。

　　放大器的輸入輸出駐波比與噪聲系數(shù)如圖6所　由圖6可知，輸入輸出駐波都低于1.6dB,特別是輸出駐波比小于1.2dB,主要是因?yàn)檩敵銎ヅ潆娐钒醋畲笤鲆嬖O(shè)計(jì)，有效地降低了輸出端反射系數(shù)。放大器輸出端口噪聲系數(shù)在整個(gè)頻帶內(nèi)低于0.6dB,噪聲匹配良好。

　　放大器的增益線性特性如圖7所示，其中，1dB壓縮點(diǎn)輸入功率為-10dBm,輸出功率為20dBm,具有良好的線性度。

4　結(jié)語(yǔ)

　　本文討論了一種增強(qiáng)型E-PHEMT管的寬帶低噪聲放大器設(shè)計(jì)，介紹了設(shè)計(jì)的具體流程和方法，并充分利用ADS仿真軟件的各項(xiàng)功能對(duì)低噪聲放大器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，省去了復(fù)雜的理論分析計(jì)算，大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過(guò)程，提高了工作效率，對(duì)低噪聲放大器的CAD設(shè)計(jì)具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。