基于ADS仿真的宽带低噪声放大器设计

　　1 引言

　　低噪声放大器(LNA)是现代微波通信、雷达、电子战系统中的重要部件，它处于接收系统的前端，对天线接收到的微弱射频信号进行线性放大，同时抑制各种噪声干扰，提高系统灵敏度。由于LNA在接收系统中的特殊位置和作用，该部件的设计对整个接收系统的性能指标起着关键作用。当今低噪声放大器主要采用单片微波集成电路(MMIC)技术，将所有有源器件(如双极性晶体管或场效应晶体管)和无源器件(如电阻器、电感器、电容器和传输线等)全部集成在一块半导体晶片上，以实现低噪声放大功能，具有尺寸小、重量轻、成本低及可靠性高的特点。

　　本文介绍了一种宽带低噪声放大器的设计方法。设计时首先根据性能指标要求选择合适的有源器件，确定相应的工作状态和偏置条件及器件的稳定状态，然后合理设计匹配电路和负反馈电路，最后对整体电路进行优化。设计中采用微波仿真软件ADS对电路进行CAD辅助设计并给出了仿真结果。

　　仿真结果表明，放大器各性能参数满足设计指标。

　　2　低噪声放大器电路设计与仿真

　　2.1　放大器主要技术指标

　　本文设计的低噪声放大器主要技术指标：工作频率2.7～3.1GHz,噪声系数(NF)小于0.8dB,带内增益G>30dB,带内平坦度小于±1dB,输入输出驻波比(VSWR)小于1.6dB,1dB增益压缩点输入功率P1dB≥-15dBm。

　　2.2　器件的选择和设计方案

　　考虑到增益和噪声系数要求较高，所以选用PHEMTGaAsFET低噪声放大管。另外，在进行电路设计前，首先要建立放大器件的小信号模型。为了设计简便，一般选择具有现成模型的放大器件。由于安捷伦公司为其产品提供了精确的ADS模型，因此采用安捷伦公司的一种增强型E-PHEMT管ATF541M4,该管工作频率为0.45～10GHz,具有线性度好、噪声系数低的特点，而且工作时不需要负的栅极电压，便于单电源供电，在Vds=3V,Ids=60mA的偏置条件下，3GHz时最小噪声系数约为0.5dB,增益为17.5dB,1dB压缩点输出功率21.4dBm,为了得到30dB的增益，采用两级级联放大结构，将两个晶体管集成在同一基片上，输入输出端口之间通过微带线匹配到50Ω。

　　2.3　偏置电路的设计

　　根据ATF541M4管的数据手册，在Vds=3V,Ids=60mA的偏置条件下，Vgs=0.58V,因此可以采用单极性无源偏置网络，在管子的漏极和栅极加偏置，源极为直流接地状态，采用常用的电阻自偏压结构为晶体管提供相应的直流电压和电流，偏置电路如图1所示。

　　在供电电压为5V的条件下，经过计算R1为290Ω，R2为1195Ω，R3为286Ω，电路中的C1、C2、C3为旁路电容，C4为隔直电容，L1和L2为高频扼流电感。为了进一步得到精确的偏置电阻值，可以对偏置电路进行直流仿真，根据源极和漏级电压值对电阻进行微调，以满足偏置条件。

　　2.4　稳定性分析

　　因为有源器件都存在内部反馈，反馈的大小取决于放大器的S参数、匹配网络以及偏置条件，当反馈量达到一定程度时，将会引起放大器输入或输出端口出现负阻，产生自激振荡，因此在做端口匹配前首先要判定放大器是否绝对稳定，射频放大器绝对稳定的充分必要条件是：

　　如果根据晶体管数据手册中的S参数进行计算分析，则计算过程复杂，可以使用ADS中的稳定性判定系数stab_face(s)和stab_meas(s)直接对器件进行稳定性分析，只有在工作频段内两个稳定性判别系数都大于1时，才能保证器件绝对稳定。通过仿真得到稳定性判定系数如图2所示。由图可知，两个稳定性系数在2.7～3.1GHz频率范围内都大于1,所以器件绝对稳定。

　　2.5　放大器带宽的拓展

　　在宽带低噪声放大器设计中，为了保证放大器增益的线性度和带宽，一般选用平衡放大或负反馈电路结构。前者使用器件较多，电路复杂，而负反馈电路结构简单，一般是在晶体管的输入和输出端口之间串联一个电阻和一个电容，除了可以得到平坦的增益特性，而且可在宽频带内降低输入输出驻波比，降低晶体管参数的离散性对放大器特性的影响。

　　本设计采用负反馈电路形式，在晶体管的栅极和漏极间引入负反馈。由于加入负反馈电路使得放大器增益有所下降，同时增加一定的噪声系数，所以只将负反馈电路加在第二级放大器中。

2.6　匹配电路设计

　　对于工作在S频段的放大器，输入输出匹配电路通常采用分布参数元件，这种类型的匹配网络由几段串联或并联的微带线组成。为了在整个频段内得到良好的匹配效果，一般先选定中心频率进行匹配电路设计，然后再对电路在整个频带内进行微调优化，因为输入端采用最小噪声匹配,首先对器件进行ADS噪声仿真得到各频率的噪声系数以及对应的最佳噪声源反射系数，应用ADS中单枝节匹配工具对输入端口进行快速匹配，其电路如图3所示。图中各段微带线的特性阻抗都为50Ω，以减小匹配电路的复杂程度。在确定第一级放大器输入匹配电路后，可以得到对应输出阻抗，级间匹配电路按照最大增益原则进行设计，同时要兼顾第一级的输入驻波比以及整个电路的噪声系数，所以采用T型结构，输出匹配电路主要用于提高增益，改善增益平坦度以及输出驻波比。在初步确定各匹配电路后，使用优化工具对整体电路优化仿真，为了减小输入驻波比，一般要对输入匹配电路进行微调，同时严格控制噪声系数，确保各项指标满足要求。

　　2.7　低噪声放大器拓扑电路

　　本设计采用Rogers公司的TMM10i型基板，介电常数εr=9.6,基片厚度H=0.635mm,导体厚度T=0.01mm,金属电导率Cond=5.88e+7。根据前面所述的放大器设计方法，将两级晶体管级联，得到低噪声放大器的电路拓扑图，如图4所示。

　　3　仿真结果与分析

　　通过S参数及谐波平衡仿真得到低噪声放大器的各项参数，功率增益如图5所示。图中表明，放大器在工作频段内增益大于30dB,并具有良好的增益平坦性能，增益平坦度小于1dB。

　　放大器的输入输出驻波比与噪声系数如图6所由图6可知，输入输出驻波都低于1.6dB,特别是输出驻波比小于1.2dB,主要是因为输出匹配电路按最大增益设计，有效地降低了输出端反射系数。放大器输出端口噪声系数在整个频带内低于0.6dB,噪声匹配良好。

　　放大器的增益线性特性如图7所示，其中，1dB压缩点输入功率为-10dBm,输出功率为20dBm,具有良好的线性度。

　　4　结语

　　本文讨论了一种增强型E-PHEMT管的宽带低噪声放大器设计，介绍了设计的具体流程和方法，并充分利用ADS仿真软件的各项功能对低噪声放大器进行优化设计，省去了复杂的理论分析计算，大大简化了设计过程，提高了工作效率，对低噪声放大器的CAD设计具有很大的现实意义。