孫靖虎

(電子科技大學(xué)空天科學(xué)技術(shù)研究院,四川成都611731)

0 引言

微波低噪聲放大器是現(xiàn)代微波毫米波通信、雷達、電子戰(zhàn)系統(tǒng)等應(yīng)用中一個非常重要的部分,常用于接收系統(tǒng)的前端,在放大接收信號的同時抑制噪聲干擾,提高系統(tǒng)靈敏度[1]。

如果在接收系統(tǒng)的前端連接高性能的低噪聲放大器,在低噪聲放大器增益足夠大的情況下,就能夠抑制后級電路的噪聲,則整個接收機系統(tǒng)的噪聲將主要取決于前級低噪聲放大器的噪聲。如果低噪聲放大器的噪聲系數(shù)降低,接收機系統(tǒng)的噪聲系數(shù)也會變小,信噪比得到改善,靈敏度大大提高。由此可見,微波低噪聲放大器的性能制約了整個接收系統(tǒng)的性能,對于整個接收系統(tǒng)技術(shù)水平的提高,也起了決定性的作用[2]。

Advanced Design System(簡稱ADS)軟件是Agilent公司在 HPEESOF系列EDA軟件基礎(chǔ)上發(fā)展完善的大型綜合設(shè)計軟件,它功能強大,能夠提供各種射頻微波電路的仿真和優(yōu)化設(shè)計,通常對于小信號特性可以進行S參量仿真,可以得到電路的噪聲系數(shù)、輸入輸出駐波比、增益及電路的穩(wěn)定性,可以利用仿真器YIELD OPTIM 進行電路特性指標優(yōu)化,從而得到電路的最佳設(shè)計[3]。文章著重介紹如何使用ADS進行兩級微波寬帶低噪聲放大器的仿真與優(yōu)化設(shè)計。

1 微波低噪聲放大器的基礎(chǔ)理論

1.1 放大器的穩(wěn)定性

穩(wěn)定性是微波寬帶LNA設(shè)計所必須考慮的,其主要表現(xiàn)為對放大器振蕩的抑制性,電路必須滿足絕對穩(wěn)定情況。微波晶體管無條件穩(wěn)定的必要條件[4]:

在實際設(shè)計時,為了保證放大器穩(wěn)定工作,還要注意使放大器避開潛在不穩(wěn)定區(qū)。對于潛在不穩(wěn)定的放大器,至少有兩種可選擇的途徑避開:

a)引入電阻匹配元器件;

b)引入反饋。

1.2 放大器的噪聲系數(shù)

單級網(wǎng)絡(luò)噪聲系數(shù)的定義:輸入信號信噪比與輸出信號信噪比的比值。LNA的噪聲和信號源的阻抗有關(guān),輸入匹配電路應(yīng)該按照噪聲最小原則設(shè)計。

在輸入匹配電路做最小噪聲匹配時,放大器輸入阻抗不一定恰好與源阻抗匹配,因此增益和噪聲一般不能同時達到最佳,需要進行折中考慮。

在多級放大電路中,有噪聲系數(shù)公式為[4]

可以看出,決定電路噪聲的主要是第一級放大器,其它級的噪聲系數(shù)依次減小。因此,對多級電路的噪聲優(yōu)化主要在第一級。

1.3 放大器的增益

低噪聲放大器都是按照噪聲最佳匹配進行設(shè)計的。噪聲最佳匹配點并非最大增益點,因此增益G要下降。噪聲最佳匹配下的增益成為相關(guān)增益[5]。通常,相關(guān)增益比最大增益大概低(2～4)dB。在多級 LNA設(shè)計中,前級電路更加注重噪聲,后級電路更加注重增益,這樣可以盡可能地滿足低噪聲下的高增益。

1.4 駐波比

在50Ω系統(tǒng)中,低噪聲放大器的輸入輸出都應(yīng)該與系統(tǒng)的其它器件良好匹配[5]。但實際設(shè)計中往往需要一定的失配,才能平衡工作頻帶內(nèi)的增益變化和獲取足夠好的噪聲系數(shù)。因此,適當(dāng)?shù)鸟v波選取可以提高設(shè)計的綜合指標。

1.5 工作帶寬和動態(tài)范圍

低噪聲放大器的工作帶寬是指能穩(wěn)定工作,并同時滿足功率增益平坦度、噪聲系數(shù)和輸入輸出駐波要求的工作頻帶寬度[5]。為了獲取極低的噪聲系數(shù),工作帶寬一般較窄。如要獲取很寬的工作帶寬,勢必要犧牲噪聲系數(shù)。合理處理這一矛盾是設(shè)計寬帶低噪聲放大器的重要內(nèi)容。

動態(tài)范圍是指最大允許輸入信號與最小輸入信號的差值。它是衡量一個放大器線性化程度的指標。一般在輸入端外加等幅雙音信號的情況下,用輸入信號從超過噪聲門限3 dB處到?jīng)]有產(chǎn)生三階交調(diào)雜散處之間的功率范圍來衡量,稱為無雜散響應(yīng)動態(tài)范圍(SFDR)。

2 設(shè)計目標

因項目需要,本文設(shè)計的寬帶低噪聲放大器指標:

a)頻率為 7.1GHz～7.8GH z;

b)噪聲系數(shù)≤0.6 dB(常溫),≤0.3 dB(液氮溫區(qū));

c)增益≥22 dB;

d)輸入駐波系數(shù)≤-20 dB;

e)輸出駐波系數(shù)≤-25 dB。

3 仿真設(shè)計

系統(tǒng)主要的組成模塊,如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成模塊

3.1 器件選取

在較高頻段設(shè)計低噪聲放大器時,通常選用高電子遷移率晶體管HEM T,本文選用的是Avago公司的ATF36077芯片,芯片仿真模型為ADS自帶。

3.2 直流偏置點的選擇

利用ADS系統(tǒng)提供的典型電路設(shè)置,參照ATF36077技術(shù)指標,以晶體管的基極電流作為掃描參數(shù),來完成ADS對晶體管直流工作點的掃描仿真工作。

最終選定的工作點為VDS=3.3 V,VGS=-0.2 V。

3.3 最佳噪聲匹配設(shè)計

利用ADS自帶的DesignGuide來進行單級放大器的最佳匹配設(shè)計以及穩(wěn)定性設(shè)計,其中第一級放大器輸入采用最佳噪聲匹配設(shè)計,第二級放大器采用最佳功率匹配設(shè)計。

3.4 電路整體級聯(lián)設(shè)計

將DesignGuide提供的最佳匹配點使用SmithChart進行匹配電路設(shè)計,并加上偏置電路后的整體電路圖,如圖2所示。

圖2 整體級聯(lián)電路

電路連接完成后,可用ADS自帶的YIELD OPTIM對電路進行優(yōu)化,最終仿真結(jié)果如圖3所示。

3.5 電路聯(lián)合仿真優(yōu)化設(shè)計

在Schem tic里對電路進行電路級仿真設(shè)計和優(yōu)化完成后,可以將電路導(dǎo)入Layout里面生成Com ponent,然后進行路與場聯(lián)合仿真,使仿真結(jié)果與實際更加接近,如圖4所示。

4 結(jié)束語

在仿真設(shè)計過程中,首先應(yīng)用了ADS的S參數(shù)仿真分析,設(shè)計出滿足穩(wěn)定性要求的低噪聲放大器的初始電路原理圖,并進行最佳性能優(yōu)化。按照Layout圖加工電路板,實際測試結(jié)果為:增益(22±0.5)dB、S11≤20.3 dB、S22≤24.8 dB、噪聲系數(shù)常溫下為0.7 dB,液氮溫區(qū)為0.3 dB,與仿真結(jié)果基本符合,達到項目的預(yù)期指標。

圖3 仿真結(jié)果

圖4 聯(lián)合仿真圖

[1] M atthew M.Radmanesh.Radio Frequency and M icrowave Electronics Illustrated[M].北京:電子工業(yè)出版社,2002.

[2] HaT T.Solid-State M icrow ave Amplifier Design[M].New York:John W iley&Sons Inc,1981.

[3] 徐興福.ADS2008射頻電路設(shè)計與仿真實例[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.

[4] 陳邦媛.射頻通信電路[M].北京:科學(xué)出版社,2003.

[5] 方磊.射頻通信集成電路及其相關(guān)模塊的研究[D].浙江大學(xué),2004.