基于ADS仿真的寬帶低噪聲放大器設計

　　低噪聲放大器（LNA）是現代微波通信、雷達、電子戰(zhàn)系統(tǒng)中的重要部件，它處于接收系統(tǒng)的前端，對天線接收到的微弱射頻信號進行線性放大，同時抑制各種噪聲干擾，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，該部件的設計對整個接收系統(tǒng)的性能指標起著關鍵作用。當今低噪聲放大器主要采用單片微波集成電路（MMIC）技術，將所有有源器件（如雙極性晶體管或場效應晶體管）和無源器件（如電阻器、電感器、電容器和傳輸線等）全部集成在一塊半導體晶片上，以實現低噪聲放大功能，具有尺寸小、重量輕、成本低及可靠性高的特點。

　　本文介紹了一種寬帶低噪聲放大器的設計方法。設計時首先根據性能指標要求選擇合適的有源器件，確定相應的工作狀態(tài)和偏置條件及器件的穩(wěn)定狀態(tài)，然后合理設計匹配電路和負反饋電路，最后對整體電路進行優(yōu)化。設計中采用微波仿真軟件ADS對電路進行CAD輔助設計并給出了仿真結果。

　　仿真結果表明，放大器各性能參數滿足設計指標。

2　低噪聲放大器電路設計與仿真

　　2.1　放大器主要技術指標

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

　　2.2　器件的選擇和設計方案

　　考慮到增益和噪聲系數要求較高，所以選用PHEMTGaAsFET低噪聲放大管。另外，在進行電路設計前，首先要建立放大器件的小信號模型。為了設計簡便，一般選擇具有現成模型的放大器件。由于安捷倫公司為其產品提供了精確的ADS模型，因此采用安捷倫公司的一種增強型E-PHEMT管ATF541M4,該管工作頻率為0.45～10GHz,具有線性度好、噪聲系數低的特點，而且工作時不需要負的柵極電壓，便于單電源供電，在Vds=3V,Ids=60mA的偏置條件下，3GHz時最小噪聲系數約為0.5dB,增益為17.5dB,1dB壓縮點輸出功率21.4dBm,為了得到30dB的增益，采用兩級級聯放大結構，將兩個晶體管集成在同一基片上，輸入輸出端口之間通過微帶線匹配到50Ω。

　　2.3　偏置電路的設計

　　根據ATF541M4管的數據手冊，在Vds=3V,Ids=60mA的偏置條件下，Vgs=0.58V,因此可以采用單極性無源偏置網絡，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構為晶體管提供相應的直流電壓和電流，偏置電路如圖1所示。

　　在供電電壓為5V的條件下，經過計算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。為了進一步得到精確的偏置電阻值，可以對偏置電路進行直流仿真，根據源極和漏級電壓值對電阻進行微調，以滿足偏置條件。

　　2.4　穩(wěn)定性分析

　　因為有源器件都存在內部反饋，反饋的大小取決于放大器的S參數、匹配網絡以及偏置條件，當反饋量達到一定程度時，將會引起放大器輸入或輸出端口出現負阻，產生自激振蕩，因此在做端口匹配前首先要判定放大器是否絕對穩(wěn)定，射頻放大器絕對穩(wěn)定的充分必要條件是：

　　如果根據晶體管數據手冊中的S參數進行計算分析，則計算過程復雜，可以使用ADS中的穩(wěn)定性判定系數stab_face（s）和stab_meas（s）直接對器件進行穩(wěn)定性分析，只有在工作頻段內兩個穩(wěn)定性判別系數都大于1時，才能保證器件絕對穩(wěn)定。通過仿真得到穩(wěn)定性判定系數如圖2所示。由圖可知，兩個穩(wěn)定性系數在2.7～3.1GHz頻率范圍內都大于1,所以器件絕對穩(wěn)定。

　　2.5　放大器帶寬的拓展

　　在寬帶低噪聲放大器設計中，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反饋電路結構。前者使用器件較多，電路復雜，而負反饋電路結構簡單，一般是在晶體管的輸入和輸出端口之間串聯一個電阻和一個電容，除了可以得到平坦的增益特性，而且可在寬頻帶內降低輸入輸出駐波比，降低晶體管參數的離散性對放大器特性的影響。

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

　　2.6　匹配電路設計

　　對于工作在S頻段的放大器，輸入輸出匹配電路通常采用分布參數元件，這種類型的匹配網絡由幾段串聯或并聯的微帶線組成。為了在整個頻段內得到良好的匹配效果，一般先選定中心頻率進行匹配電路設計，然后再對電路在整個頻帶內進行微調優(yōu)化，因為輸入端采用最小噪聲匹配,首先對器件進行ADS噪聲仿真得到各頻率的噪聲系數以及對應的最佳噪聲源反射系數，應用ADS中單枝節(jié)匹配工具對輸入端口進行快速匹配，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雜程度。在確定第一級放大器輸入匹配電路后，可以得到對應輸出阻抗，級間匹配電路按照最大增益原則進行設計，同時要兼顧第一級的輸入駐波比以及整個電路的噪聲系數，所以采用T型結構，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)化工具對整體電路優(yōu)化仿真，為了減小輸入駐波比，一般要對輸入匹配電路進行微調，同時嚴格控制噪聲系數，確保各項指標滿足要求。

　　2.7　低噪聲放大器拓撲電路

　　本設計采用Rogers公司的TMM10i型基板，介電常數εr=9.6,基片厚度H=0.635mm,導體厚度T=0.01mm,金屬電導率Cond=5.88e+7。根據前面所述的放大器設計方法，將兩級晶體管級聯，得到低噪聲放大器的電路拓撲圖，如圖4所示。

3　仿真結果與分析

　　通過S參數及諧波平衡仿真得到低噪聲放大器的各項參數，功率增益如圖5所示。圖中表明，放大器在工作頻段內增益大于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,主要是因為輸出匹配電路按最大增益設計，有效地降低了輸出端反射系數。放大器輸出端口噪聲系數在整個頻帶內低于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壓縮點輸入功率為-10dBm,輸出功率為20dBm,具有良好的線性度。

4　結語

　　本文討論了一種增強型E-PHEMT管的寬帶低噪聲放大器設計，介紹了設計的具體流程和方法，并充分利用ADS仿真軟件的各項功能對低噪聲放大器進行優(yōu)化設計，省去了復雜的理論分析計算，大大簡化了設計過程，提高了工作效率，對低噪聲放大器的CAD設計具有很大的現實意義。