馬敏

（西南電子技術(shù)研究所 四川 成都610036）

基于ADS的S波段LNA的設(shè)計與實現(xiàn)

馬敏

（西南電子技術(shù)研究所 四川 成都610036）

針對放大鏈路輸入端對放大器高增益低噪聲的需求，文中根據(jù)放大器的設(shè)計方法，結(jié)合相關(guān)指標(biāo)，基于ADS仿真軟件，設(shè)計完成了一款S波段的低噪聲放大器。設(shè)計采用Excilics公司的EPB018A5-70場效應(yīng)管，采取級聯(lián)的設(shè)計方案，采用FR4繪制電路板，放大器的工作頻率為2.2～2.36 GHz，噪聲系數(shù)0.7 dB，增益32 dB。測試結(jié)果表明，所設(shè)計放大器的相關(guān)指標(biāo)和電磁兼容性達(dá)到了給定要求。

LNA；ADS；微波電路；電磁兼容

LNA，即微波低噪聲放大器（Low-NoiseAmplifier），其位于放大鏈路前端，在設(shè)計的過程中需要在滿足給定的增益要求情況下，盡可能減小噪聲，使整個鏈路在輸出端可獲得最大可能的信噪比。LNA常用在無線電接收機(jī)的高頻或中頻前置的前置端第一級或者用在對靈敏度有高要求的電子探測設(shè)備的放大電路中。在這些應(yīng)用場合中，需要放大的信號極其微弱，即使較小的內(nèi)、外部噪聲也會對信號產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾，這不僅對放大器自身的噪聲有較高的要求，對包含放大器的整個接收系統(tǒng)的電磁兼容性能也是十分重要的。在如今的微波通信領(lǐng)域、GPS接收機(jī)、遙感遙控、雷達(dá)等微波系統(tǒng)中，低噪聲放大器（LNA）均有著廣泛應(yīng)用[1-5]。由放大器的設(shè)計理論可知，最大功率增益和最小噪聲系數(shù)通常無法兼得，LNA保證在有限的噪聲系數(shù)內(nèi)可以獲得最大的增益，因此在低噪聲放大器的設(shè)計過程中，如何協(xié)調(diào)噪聲系數(shù)和增益之間的關(guān)系通常是需要考慮的首要問題。同時LNA設(shè)計合理亦能幫助接收系統(tǒng)在EMC測試中更易過關(guān)。匹配不良的LNA不僅增加接收機(jī)的基底噪聲，也會降低增加接收機(jī)線性度，影響系統(tǒng)電磁兼容性能，如會使電磁兼容項目CS103的測試結(jié)果數(shù)惡化等。

文中在仿真時采用ADS軟件，安捷倫ADS是Agilent公司開發(fā)的一款功能強(qiáng)大的射頻電路設(shè)計仿真工具，其可完成射頻電路的時域、頻域仿真，線性、非線性電路仿真，小到單獨(dú)的模擬電路器件，大到龐大的數(shù)/?；旌舷到y(tǒng)、高速鏈路均可看到其的應(yīng)用。在本文中將采用雙級場效應(yīng)管設(shè)計放置在接收機(jī)最前端的低噪聲放大器，其將有良好的噪聲系數(shù)，合理的增益分布。希望為日后的研究和工作提供一定的幫助及經(jīng)驗。

1 LNA的指標(biāo)和設(shè)計

1.1 設(shè)計指標(biāo)和器件選擇

根據(jù)所設(shè)計低噪聲放大器的主要指標(biāo)為：工作頻率2.2～2.36 GHz；增益大于30 dB；帶內(nèi)平坦度小于1dB；噪聲系數(shù)小于 1 dB；無條件穩(wěn)定[6]；輸入、輸出駐波小于1.5。

本次仿真設(shè)計采用Excilics公司的EPB018A5-70場效應(yīng)管，EPB018A5-70具有高動態(tài)范圍、低噪聲等特點(diǎn)，EPB018A5-70為表面貼片安裝器件。由于同時集成了高增益、高線性范圍和低噪聲的特點(diǎn)，使得EPB018A5-70在微波系統(tǒng)內(nèi)廣泛使用。該晶體管的工作頻率為1～26 GHz，在該頻率典型偏置2 V，15 mA時噪聲系數(shù)可達(dá)0.37 dB，具有低噪聲的特性[2]。電路板選擇FR4覆銅板，厚度為1.0 mm，介電常數(shù)4.5。

1.2 直流偏置電路設(shè)計

根據(jù)EPB018A5-70的DataSheet，直流工作點(diǎn)為Vds=2 V，Ids=15 mA。在直流供電時采用雙電源供電，在偏置電路設(shè)計中選用電阻式無源偏置電路[4]，其電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。在該電路中，R2、R3對電源起分壓作用，為柵極提供偏壓；具體的設(shè)計步驟為：通過計算R2，R3的比值給定合適的VGS，R1中的電流隨著 R1的增大而減小，有 R1=（Vdd-Vds）/ID。

圖1 晶體管偏置電路

1.3 放大器的匹配

放大器原理如圖2所示，輸入、輸出匹配電路的作用是使微波管的輸入、輸出阻抗變換到標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)阻抗Z0（50 Ω），以獲得阻抗匹配，這時放大器的增益最高。另一方面，由于當(dāng)放大器噪聲最小時，并不處于最佳阻抗匹配狀態(tài)，而是有一定的失配，這就需要在設(shè)計中相互兼顧，在保證足夠夠增益的情況下，使噪聲盡量小[7-13]。

圖2 放大器原理框圖

多級放大器器噪聲系數(shù)公式為：

從上式可知，為了得到最小的噪聲系數(shù)，放大器的第一級要按最佳噪聲匹配。確切地說應(yīng)該按最佳噪聲量度來匹配，因為放大器的前級增益必須保證一定的大小才能使后級的噪聲貢獻(xiàn)足夠小。

對于輸入端，我們采取在其輸入端串接一電感，使其在所需頻段中心與輸入電容形成串聯(lián)諧振，然后再利用四分之一波長阻抗變換器，就可方便地使之轉(zhuǎn)變到50 Ω純電阻，達(dá)到匹配的目的。

對于輸出端，采用了短截線匹配的方法。這種方法的特點(diǎn)是匹配帶寬不是太寬，但對于本設(shè)計中約7%的帶寬已是足夠的。這種方法首先在導(dǎo)納圓圖中找出對應(yīng)輸出導(dǎo)納的共軛復(fù)數(shù)Y*=G+jB，然后利用傳輸線將此點(diǎn)向負(fù)載端轉(zhuǎn)到G=1的匹配圓上去，即Y*’=G+jB’。最后再利用適當(dāng)長度的短截線來構(gòu)成電抗分量jB’，以達(dá)到最終匹配的目的。即最后得到Y(jié)’’=1。

輸入、輸出匹配電路形式如圖4所示。

圖3 EPB018A5-70的反射系數(shù)圓圖

圖4 輸入、輸出匹配電路結(jié)構(gòu)

1.4 放大器電路的ADS設(shè)計實現(xiàn)

利用ADS軟件設(shè)計兩級放大器的電路。在設(shè)計直流偏置電路后，在直流和交流通路間加入射頻扼流電路，即無源低通電路[14]，該電路僅允許直流偏置信號傳輸，用四分之一波長細(xì)微帶線實現(xiàn)。同時，直流信號到Term端口需要加入隔直電路，兩級間的直流信號也不能互相干擾，所以在Term和電路間及兩級之間均需加入片式陶瓷電容。在輸入和輸出端處加入“Term”端口，設(shè)置阻抗為 50 Ω，加入“StabFact”穩(wěn)定系數(shù)計算控件，對電路進(jìn)行穩(wěn)定性分析。并對電路添加其它的控件，加入“MaxGain”最大增益控件，加入“S-PARMETERS”S參數(shù)仿真控件。

經(jīng)仿真，發(fā)現(xiàn)在工作頻率上，穩(wěn)定性系數(shù)＜1，于是，在兩級放大器的輸入、輸出端均加入圖4所示的微帶匹配電路，并將微帶線的長和寬設(shè)為變量。加入“VAR”控件，和“OPTIM”優(yōu)化和“GOAL”目標(biāo)控件，建立ADS電路仿真、優(yōu)化測試臺，以要求的噪聲系數(shù)、駐波和穩(wěn)定系數(shù)為目標(biāo)進(jìn)行電路參數(shù)優(yōu)化。其中以噪聲系數(shù)的權(quán)重設(shè)為最大，優(yōu)化過程中不斷調(diào)整，直到目標(biāo)達(dá)到為止。最終優(yōu)化的電路仿真結(jié)果如圖5所示。

最終電路達(dá)到了穩(wěn)定，穩(wěn)定性系數(shù)＞1，噪聲系數(shù)小于0.5 dB，增益為33.9 dB，輸入、輸出駐波也均滿足要求。

圖5 ADS電路仿真結(jié)果

2 LNA制作與測試

LNA采用FR4電路板[15]制作。設(shè)計時，為保證系統(tǒng)的電磁兼容性，防止由于串?dāng)_惡化系統(tǒng)噪聲，LNA的饋電輸入端去耦，并將LNA設(shè)計在單獨(dú)的屏蔽腔體內(nèi)，其蓋板采用線接觸，保證其具有良好屏蔽性。制作完成后，對電路進(jìn)行測試。測試時首先調(diào)試直流靜態(tài)工作點(diǎn)，接著調(diào)試輸入輸出匹配電路。調(diào)試中由于EPB018A5-70容易被靜電擊穿，需要佩戴防靜電手套。S參數(shù)采用Agilent矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試，噪聲系數(shù)測量采用Agilent噪聲測試儀N8975A。在測量時使用其ENR標(biāo)稱值為5 dB的噪聲源，保證測試更精準(zhǔn)。測試結(jié)果整理后如圖6所示。

圖6 測試結(jié)果

由圖6（a）可以看出，放大器增益約32.8 dB左右，比仿真增益略小，帶內(nèi)增益波動△G＜±0.3 dB，符合設(shè)計要求。實測放大器噪聲系數(shù)均小于0.7 dB。可見，此放大器的設(shè)計從總體上說來是成功的。使用本LNA的接收系統(tǒng)在電磁兼容的測試中也順利過關(guān)。

3 結(jié)束語

文中討論了微波低噪聲放大器的設(shè)計理論與實現(xiàn)方法，在低噪聲放大器的制作中經(jīng)歷了：確定指標(biāo)、設(shè)計方案、選擇器件、設(shè)計并仿真電路、PCB版圖繪制加工和測試樣件等過程。在微波低噪聲放大器的設(shè)計中需要根據(jù)給定的技術(shù)指標(biāo)選擇合適的晶體管，在選擇的過程中需要對器件模型和特性進(jìn)行分析；設(shè)計輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)時，要對微波網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析與綜合；最終還要對放大器的整體性能進(jìn)行優(yōu)化，方可得到最佳的設(shè)計結(jié)果。

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Design and implementation of S band broadband LNA based on ADS

MA Min
（Southwest Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

With the development of modern amplifying link，in order to satisfy the requirement of High gain and low noise，a low noise amplifier based on ADS simulation software is designed by the author.This amplifier adopts the two-stage EPB018A5-70 produced by the Excilics Company.The operating frequency of the amplifier is 2.2～2.3 GHz，the noise figure is 0.7 dB，and the gain is 32 dB.As motioned above，related indicators have reached the given requirements.

LNA；ADS；microwave circuit；electromagnetic compatibility

TP311

：A

：1674－6236（2017）13-0058-04

2016-07-19稿件編號：201607139

馬 敏（1971—），女，四川眉山人，碩士，工程師。研究方向：電磁兼容測試與設(shè)計整改及微波技術(shù)。