周 正，顧天夏

(1.南京工程學(xué)院通信工程學(xué)院，江蘇南京211167;2.南京外國語學(xué)校，江蘇南京210008)

從天線接收的微弱信號由處于射頻接收機(jī)前端的放大器進(jìn)行放大，因此要求該放大器具有一定的增益和較小的噪聲系數(shù)。

本文借助Agilent公司的射頻電路設(shè)計軟件ADS(Advanced Design System)進(jìn)行輔助設(shè)計一款高增益低噪聲放大器(LNA)，并對其進(jìn)行了仿真驗證。

1 射頻放大器的組成

單級射頻放大器的組成如圖1所示，包括射頻晶體管放大電路和輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)三部分。

圖1 單級射頻放大器的組成

2 射頻放大器的設(shè)計

2.1 晶體管的選擇

選擇好晶體管器件對低噪聲放大器的設(shè)計至關(guān)重要。根據(jù)工作頻率、增益和噪聲系數(shù)等指標(biāo)要求，同時考慮到設(shè)計、仿真時便于得到相應(yīng)的元器件模型，最終選用Avago公司的高電子遷移率晶體管(E-PHEMT)ATF-58143來進(jìn)行設(shè)計(可以在Avago公司的網(wǎng)站上下載到ATF-58143的元件模型)。

2.2 偏置電路的設(shè)計

設(shè)計LNA首先需要確定靜態(tài)工作點，利用ADS中的“DC_FET_T”的模板可以很方便地仿真出其輸出特性曲線。再參考ATF-58143的datasheet，可以確定當(dāng)Vds=3 V，Ids=35 mA時，各項設(shè)計指標(biāo)滿足要求。

確定靜態(tài)工作點后，就要確定偏置電路的形式和參數(shù)。不需人工計算，借助ADS中的設(shè)計向?qū)Чぞ?DesignGuide→Amplifier→Tools→Transistor Bias Utility)可以輕易完成。因為ADS所提供的元件數(shù)值是非標(biāo)稱的，所以需要設(shè)計者用與ADS提供的數(shù)值接近的標(biāo)稱元件進(jìn)行替代。偏置電路及各點靜態(tài)參數(shù)如圖2所示。

圖2 偏置電路

2.3 穩(wěn)定性分析及改善

晶體管絕對穩(wěn)定的條件是K＞1，|Δ|＜1。其中:

如果這兩個條件不能同時得到滿足，電路將存在潛在的不穩(wěn)定和振蕩的可能［1］。對上述偏置條件下的晶體管進(jìn)行穩(wěn)定性仿真分析發(fā)現(xiàn)，在要求的工作頻段內(nèi)其穩(wěn)定系數(shù)K＜1，不滿足絕對穩(wěn)定的條件。

通過引入負(fù)反饋的方式可以改善電路的穩(wěn)定性，同時也能夠拓展工作帶寬。在輸出端和輸入端之間串聯(lián)RC電路引入負(fù)反饋，其中的 R 需要滿足條件［1］［4］:

同時在兩個源極加上小的電感引入負(fù)反饋進(jìn)一步改善穩(wěn)定性，該電感的值需反復(fù)調(diào)節(jié)后方能確定。

對引入負(fù)反饋后的電路再次仿真，其工作頻帶內(nèi)穩(wěn)定系數(shù)K＞1，滿足絕對穩(wěn)定條件。

2.4 最小噪聲系數(shù)的輸入匹配電路設(shè)計，最大增益的輸出匹配電路設(shè)計

如果輸入匹配電路和輸出匹配電路使射頻器件的輸入阻抗Zin和輸出阻抗Zout都轉(zhuǎn)換到標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)阻抗Z0，即Zin=Z0，Zout=Z0(或，如圖1所示)就可使器件的傳輸增益最高［2］。但輸入、輸出匹配時，噪聲并非最佳。當(dāng)ΓS=Γopt時，可以得最小的噪聲系數(shù)。

利用ADS可以很方便地繪制出等功率增益圓和等噪聲系數(shù)圓［3］，如圖3所示。從圖中可以看出，如果從m2點匹配到標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)阻抗，將可以使電路獲得最大的增益;如果從m3點匹配到標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)阻抗，將可獲得最小的噪聲系數(shù)。顯然最大增益和最小噪聲系數(shù)不可同時得到。對于低噪聲放大器，首要的是考慮最小噪聲系數(shù)，因此對m3點進(jìn)行匹配。借用ADS的自帶工具“Smith Chart Utility Tool”進(jìn)行，只要在其中設(shè)置好頻率、源阻抗和目標(biāo)阻抗值，就可以設(shè)計出所需要的輸入匹配電路。

在輸入端匹配完成以后，在原理圖中加入阻抗測量控件測出輸出阻抗，再次使用“Smith Chart Utility Tool”將輸出阻抗匹配到標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)阻抗，就可得到最大增益的輸出匹配電路。

圖3 等增益圓和等噪聲系數(shù)

圖4 帶有輸入、輸出匹配的最終電路

圖5 仿真結(jié)果

當(dāng)輸出端的匹配完成后，因為改變了從輸入端向里看的等效阻抗Zin，輸入端的回波損耗會變差。為此，可以采用優(yōu)化控件對輸入端和輸出端的匹配電路進(jìn)行同時的優(yōu)化改進(jìn)，也可以使用Tunig工具進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.5 最終電路及仿真結(jié)果分析

匹配及優(yōu)化后的電路如圖4所示，電路中各元件的作用分別是:C6、L6是輸入匹配電路;C7、L7是輸出匹配電路;L1、L5、C3、R5是反饋元件;L3、L4是扼流電感;C4、C5是隔直耦合電容;C1、C2是旁路電容。

需要說明的是，反饋電感L1、L5和匹配電路中的元件C6、L6、C7、L7等因為數(shù)值較小，在工程中常用微帶線來代替。

仿真結(jié)果如圖5所示。其工作帶寬達(dá)500 MHz，中心頻率處增益接近20 dB，輸入輸出反射損耗小于－10 dB，噪聲系數(shù)小于0.5 dB，穩(wěn)定系數(shù)大于1。如果斷開反饋電路后再次仿真，會發(fā)現(xiàn)增益有所加大，但穩(wěn)定系數(shù)將小于1，放大電路將不能正常工作。

3 結(jié)論

通過射頻低噪聲放大器的設(shè)計與仿真，可以看到使用ADS輔助設(shè)計電路，理論計算簡單，設(shè)計過程快速，參數(shù)修改容易，驗證方便，縮短了設(shè)計周期，提高了設(shè)計精度，在工程中具有實用價值。

［1］劉長軍，黃卡瑪，閆麗萍.射頻通信電路設(shè)計［M］.北京:科學(xué)出版社，2005.

［2］Matthew M.Radmanesh.Radio Frequency and Microwave Electronics Illustrated［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2002.

［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］Reinhold Ludwig.RF Circuit Design:Theory and Applications［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2010.