射频低噪声放大器的ADS设计

3．低噪管稳定性的判断。稳定性的判断可以通过K-Δ 公式或源端和负载端稳定系数圆来判断，前者通常用来判断放大器是否处于绝对稳定的情况。对于低噪声放大器的第一级，主要性能是以降低噪声系数为目标的，故常处于条件稳定的情形，而设计最大增益放大器时采用双端共轭匹配，这时候射频电路必须处于绝对稳定才能保证复数共轭同时成立。
在S 参数仿真中添加源稳定判别圆和负载稳定判别圆，等增益圆和噪声系数圆等控件，并分别设置好参数大小，本文选取增益分别为8dB、15dB、20dB，噪声系数NF=0.5dB，在仿真后的smith 圆图显示出系列圆图，如图5 所示。找到稳定区域，由于S11 的绝对值小于1，故smith 圆图内处于源稳定判别圆外的ΓS 都是稳定的。但是由输出稳定判别圆可以看出该低噪管在工作频率下输出并非绝对稳定，为了避免自激的发生，实现全频带的稳定性，可以通过负反馈手段使晶体管进入稳定状态。常用的手段是在场管源极串接一电感或者传输线，这样可以改变放大器的输入阻抗，从而通过调整源极影响S11*使之靠近Гopt, 有利于噪声匹配和输入端功率匹配的同时实现，而且实际上源极反馈对放大器噪声的影响很小。本文在低噪管源端串联一个1.0nH 的电感，使晶体管处于绝对稳定状态，由μ 判据可以看出在3－6Ghz 频段内放大器都处于绝对稳定状态，如图4 所示。另外在输出串联一个15Ohm 电阻，用来改善放大器的增益平坦度和输出驻波比。

4．匹配网络的设计。在增益15dB 的圆上选取尽量靠近最小噪声点的源反射系数作为输入匹配点，如图5 中m1 所示，本文取ΓS=Γopt= 0.768∠9.872 ，这样就获得了最佳噪声系数匹配条件，使放大器满足低噪声的要求的同时又能实现足够的增益。图6 显示出了源稳定系数圆图和负载稳定系数圆图，从标记m3、m4 可以看出两者均与smith 圆图相离，又由于S11，S22 均小于1，故输入输出都满足绝对稳定条件。

输出匹配点Γout 按照下面公式  求出。

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图5 噪声系数圆、等增益圆和输入匹配点的确定

 

图6 源稳定系数圆图和负载稳定系数圆图

经过简单计算得到Γout=0.4973∠-20.2254 ， 输出端取共轭匹配， 即ΓL=Γout*=0.4973∠20.2254，接下来开始进行输入输出匹配网络的设计。
设计匹配网络的方法很多，有图解法，计算机辅助设计法等。ADS 提供了多种方便快捷的匹配网络设计工具，如无源电路的集总参数元件、微带单枝节、微带双枝节等多种智能元件，本文利用ADS 的smith 圆图综合工具很清晰方便的实现自动匹配网络设计。其方法是在元件面板列表选择实用Simth 圆图工具Smith Chart Matching，然后在工具菜单栏中选择Smith Chart Utility 工具，输入负载反射系数后，就可以利用ADS 所提供的这种智能元件进行阻抗匹配设计，最后自动生成子网络。由于匹配电路的拓扑结构多样，应选择一种简单且便于实际工程设计的网络结构，本文采用由集总元件构成的无耗L 型网络，如图7 所示为实用Simith 工具自动生成的一种匹配电路拓扑结构，从中可以观察其反射系数在工作频带的频率响应曲线。图8 为圆图综合工具所生成的放大器输出子网络，可以直接添加或复制到原理图中。

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图7 实用史密斯圆图工具

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图8 输出匹配子网络

输出匹配网络的设计采用S 参数优化方法，S 参数设计法是将晶体管看做是一个黑盒子，只知道它的端口参数，是从系统或者网络的角度出发来设计放大器。首先设定匹配网络的集总器件为优化变量，优化的目标为噪声系数、增益、输入驻波比、输出驻波比等，给上述原理图增加优化仿真器OPTIM 和优化目标控件GOAL。注意在OPTIM 中设定仿真变量，并将设计目标值作为仿真目标，优化仿真变量设计参数，然后选择适合的优化方式，常用的主要是Random（随机法）和Gradient（梯度法），随机法通常用于大范围搜索时使用，梯度法则用于局域收敛，不同方法有不同的元件变量渐进方式，应根据收敛速度和误差函数公式进行选择。最后选择迭代次数后进行优化仿真，通过不断对优化变量的调整，得到满足稳定性、噪声系数和增益等目标的电路，实际在进行分析的时候，还需要根据具体情况及有关理论加入一些有助于提高电路性能的细节。匹配后仿真原理图如图9 所示，此处把集总元件构成的匹配网络用微带线代替，选取射频介质基板的参数为：介电常数εr=4.3,基板厚度H=0.8mm。
优化结果显示如图10 所示。

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图9 匹配后单级放大器电路仿真原理图

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图10 匹配后单级放大器电路仿真结果