【摘要】設(shè)計(jì)了一個(gè)100-400MHz超寬帶低噪聲放大器。該放大器采用兩級(jí)E-PHEMT晶體管（ATF54143）級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，每級(jí)都用獨(dú)立電源供電。應(yīng)用射頻電路仿真軟件ADS對(duì)匹配電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后通過(guò)原理圖-版圖聯(lián)合仿真得到放大器的各項(xiàng)性能參數(shù)。在100-400MHz頻帶內(nèi)，噪聲系數(shù)（NF）小于0.3dB，帶內(nèi)增益大于32dB，帶內(nèi)增益平坦度±0.5dB以內(nèi)，輸入輸出駐波比小于1.8。仿真結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)完全滿足性能指標(biāo)要求。

【關(guān)鍵詞】超寬帶低噪聲放大器ADS仿真噪聲系數(shù)

低噪聲放大器（LNA）是現(xiàn)代微波通信、雷達(dá)、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(duì)天線接收到的微弱射頻信號(hào)進(jìn)行線性放大，同時(shí)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(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)接收系統(tǒng)的性能指標(biāo)起著關(guān)鍵作用。本文介紹了一種超寬帶低噪聲放大器的設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)時(shí)首先根據(jù)性能指標(biāo)要求選擇合適的有源器件，確定相應(yīng)的工作狀態(tài)和偏置條件，使器件工作在絕對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，然后合理設(shè)計(jì)匹配電路和負(fù)反饋電路，最后對(duì)整體電路進(jìn)行優(yōu)化。設(shè)計(jì)中采用射頻電路仿真軟件ADS[1]對(duì)電路進(jìn)行CAD輔助設(shè)計(jì)并給出了仿真結(jié)果。

一、低噪聲放大器電路設(shè)計(jì)

1.1放大器的各項(xiàng)指標(biāo)與設(shè)計(jì)方案

放大器需要滿足的指標(biāo)：工作頻帶100-400MHz，噪聲系數(shù)（NF）小于0.3dB，帶內(nèi)增益大于32dB，帶內(nèi)增益平坦度±0.5dB以內(nèi)，輸入輸出駐波比小于1.8?？紤]到增益和噪聲系數(shù)要求較高，采用E-PHEMT晶體管（ATF54143）[2]，安捷倫公司提供了其精確的ADS模型，便于仿真，而且工作時(shí)不需要負(fù)的柵極電壓，便于單電源供電。

晶體管的功率增益在頻率高端隨著頻率的增加以6 dB/倍頻程下降，因此設(shè)計(jì)寬帶放大器時(shí)必須使用相應(yīng)的方法補(bǔ)償此增益滾降，且保證整個(gè)頻帶內(nèi)的穩(wěn)定性，所以要考慮寬帶阻抗匹配及選擇恰當(dāng)?shù)碾娐沸问健拵Х糯笃饔幸韵聨追N：①分布放大器；②平衡放大器；③有耗匹配放大器；④負(fù)反饋放大器。通過(guò)比較，雖然負(fù)反饋放大器各個(gè)特性的改良是以略微增加噪聲為代價(jià)的，但這種電路形式仍不失為所需頻段內(nèi)綜合效果最優(yōu)的方法，因此采用負(fù)反饋形式。

1.2偏置和負(fù)反饋電路

1.3穩(wěn)定性分析

因?yàn)橛性雌骷即嬖趦?nèi)部反饋，反饋的大小取決于放大器的S參數(shù)、匹配網(wǎng)絡(luò)以及偏置條件，當(dāng)反饋量達(dá)到一定程度時(shí)，將會(huì)引起放大器輸入或輸出端口出現(xiàn)負(fù)阻，產(chǎn)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(duì)穩(wěn)定。

通常用K-Δ的方法來(lái)判定穩(wěn)定性：

同時(shí)滿足K>1和|Δ|<1時(shí)，放大電路處于絕對(duì)穩(wěn)定。

如果根據(jù)晶體管數(shù)據(jù)手冊(cè)中的S參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，則計(jì)算過(guò)程復(fù)雜，可以使用ADS中的穩(wěn)定性判定系數(shù)stab_fact（s）和stab_meas（s）直接對(duì)器件進(jìn)行穩(wěn)定性分析，只有在工作頻段內(nèi)同時(shí)滿足stab_face（s）>1，stab_meas（s）>0時(shí)，才能保證器件絕對(duì)穩(wěn)定。通過(guò)仿真得到穩(wěn)定性判定系數(shù)如圖1（b）所示。由圖可知，兩個(gè)穩(wěn)定性系數(shù)在100-400MHz頻率范圍滿足要求，所以器件絕對(duì)穩(wěn)定。

1.4匹配電路與版圖設(shè)計(jì)

考慮到頻率較低和小的尺寸，采用集總參數(shù)的電容電感進(jìn)行匹配電路設(shè)計(jì)[4]。32dB的增益，可以采用兩級(jí)放大的形式且都用ATF54143。為了在整個(gè)頻段內(nèi)得到良好的匹配效果，一般先選定中心頻率進(jìn)行匹配電路設(shè)計(jì)，然后再對(duì)電路在整個(gè)頻帶內(nèi)進(jìn)行微調(diào)優(yōu)化。第一級(jí)設(shè)計(jì)時(shí)，如果按最小噪聲設(shè)計(jì)，輸入端不是共軛匹配，會(huì)造成輸入駐波比差，增益低，帶內(nèi)增益平坦度也不好，所以應(yīng)該在最小噪聲、駐波比和增益之間權(quán)衡進(jìn)行輸入匹配設(shè)計(jì)。輸出按共軛匹配設(shè)計(jì)，同時(shí)加入一些電阻，增加穩(wěn)定性，改善增益平坦度。輸入輸出都匹配到50Ω，電容電感用50Ω特征阻抗的微帶短線進(jìn)行連接。第二級(jí)采用與第一級(jí)一樣的結(jié)構(gòu)，直接與第一級(jí)級(jí)聯(lián)。在確定整體電路后，畫出版圖。在版圖空白處添加大面積的通孔接地，一方面為了保證散熱和接地效果良好，另一方面是為今后調(diào)試留下焊接空間。整體電路如圖2（a）所示。

二、電路優(yōu)化與仿真結(jié)果

采用理想電容電感元件，先對(duì)第一級(jí)進(jìn)行優(yōu)化，當(dāng)?shù)谝患?jí)的各項(xiàng)指標(biāo)與預(yù)期目標(biāo)接近后，第二級(jí)采用與第一級(jí)一樣的結(jié)構(gòu)與其級(jí)聯(lián)，再對(duì)整體電路進(jìn)行優(yōu)化。在用ADS進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，先放寬目標(biāo)，進(jìn)行隨機(jī)優(yōu)化后，再進(jìn)行梯度優(yōu)化，然后收緊目標(biāo)，直到達(dá)到預(yù)期結(jié)果。按最優(yōu)的原理圖設(shè)計(jì)版圖，然后進(jìn)行原理圖-版圖聯(lián)合仿真。原理圖-版圖聯(lián)合仿真把layout中的無(wú)源電路和原理圖中的元器件有機(jī)結(jié)合在一起進(jìn)行仿真，既考慮了無(wú)源器件之間的電磁場(chǎng)效應(yīng)，又可以考慮有源元件、集總元件的效應(yīng)，這樣仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果非常接近，可以縮短制版調(diào)試的輪回。得到初步結(jié)果后，用較精確的muRata電容電感模型代替理想化模型，經(jīng)過(guò)不斷地優(yōu)化和仿真，最終結(jié)果如圖2（b）（c）（d）所示。可見(jiàn)，仿真結(jié)果的各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到預(yù)期要求。

三、結(jié)論

本文討論了一種增強(qiáng)型E-PHEMT晶體管的超寬帶低噪聲放大器的設(shè)計(jì)，介紹了具體的流程與方法，應(yīng)用射頻電路仿真軟件ADS強(qiáng)大的功能對(duì)放大器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，省去了復(fù)雜的理論分析計(jì)算，大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過(guò)程，提高了工作效率，對(duì)低噪聲放大器的制做具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]徐興福. ADS2008射頻電路設(shè)計(jì)與仿真實(shí)例.北京：電子工業(yè)出版社，2010

[2]張小兵.基于ATF54143的LNA設(shè)計(jì).現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30（20）：165-167

[3]王子宇，張肇儀，徐承和.射頻電路設(shè)計(jì)-理論與應(yīng)用.北京：電子工業(yè)出版社，2003

[4]黃秋元，鄢凱. LNA匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與仿真.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)-信息與管理工程版，2002.27，5：144-147