任朝陽(yáng) 張凱 岳曉惠 金非凡 曹智輝

摘 要：本文設(shè)計(jì)了帶寬為400MHz，中心頻率為4.4GHz射頻低噪聲放大器，選用安捷倫公司的高電子遷移率晶體管ATF-55143，利用安捷倫公司的微波仿真軟件Advanced Design System（ADS）進(jìn)行原理圖和版圖的設(shè)計(jì)、仿真及優(yōu)化。仿真設(shè)計(jì)結(jié)果表明：在工作頻段范圍內(nèi)，其增益S21>9dB、噪聲系數(shù)NF<2dB、輸入反射系數(shù)S11<-15dB、輸出反射系數(shù)S22<-15dB、功耗P<30mW;

關(guān)鍵詞：低噪聲;ADS;放大器

引言

射頻低噪聲放大器在通信、遙測(cè)遙感、射電天文、雷達(dá)以及電子對(duì)抗等領(lǐng)域的射頻接收機(jī)前端已成為必不可少的重要組成部分。低噪聲放大器在射頻前段的主要作用為在放大信號(hào)的同時(shí)盡可能低的引入內(nèi)部噪聲，因此噪聲系數(shù)是低噪聲放大器的一個(gè)重要指標(biāo)。低噪聲放大器的噪聲系數(shù)關(guān)乎著射頻前端及其整個(gè)通信系統(tǒng)的接收靈敏度。由于電磁波的傳輸損耗、水汽吸收損耗隨著電磁波的頻率升高而增大，這就對(duì)于工作頻段較高的低噪聲放大器的噪聲系數(shù)提出了較高的要求。[1]

本文采用穩(wěn)定性設(shè)計(jì)和偏置電路設(shè)計(jì)相結(jié)合，以此提高電路設(shè)計(jì)效率。首先，選擇合適的晶體管，確立靜態(tài)工作點(diǎn);設(shè)計(jì)合理的輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，采用穩(wěn)定性設(shè)計(jì)和偏置電路設(shè)計(jì)綜合考慮的方法，以滿足增益、噪聲系數(shù)以及輸入輸出駐波比等指標(biāo);最后進(jìn)行微帶線版圖仿真、優(yōu)化及設(shè)計(jì)。

1.放大器基本原理

圖1為晶體管放大器常規(guī)電路原理圖。其中， 信號(hào)源反射系數(shù); 晶體管輸入端反射系數(shù); 負(fù)載反射系數(shù); 晶體管的輸出反射系數(shù)。根據(jù)微波網(wǎng)絡(luò)基本理論可知，放大器的輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)用來(lái)減少反射以提高傳輸功率流量，其放大器指標(biāo)由其特定偏置條件下的S參數(shù)確定[2]。 和 決定著放大器的電路的噪聲參量、增益、穩(wěn)定性以及電壓駐波比等性能參數(shù)[3]。

2.設(shè)計(jì)與仿真

2.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

工作頻段：4.2GHz～4.6GHz;噪聲系數(shù)：優(yōu)于2 dB;增益：優(yōu)于8dB;輸入輸出回波損耗：小于-10dB;輸入輸出駐波比小于1.5。

2.2 設(shè)計(jì)方法

晶體管選用Agilent公司的高電子遷移率低噪聲晶體管ATF-55143。由器件手冊(cè)可知，在450MHz～6GHz的頻段范圍內(nèi)具有較高的動(dòng)態(tài)范圍、噪聲系數(shù)較低、單電源供電、輸入輸出易于匹配以及性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，完全滿足設(shè)計(jì)需求。板材的介電質(zhì)常數(shù)4.6，介質(zhì)厚度為0.8毫米，介質(zhì)損耗角正切為0.035，金屬導(dǎo)電率（銅）為5.813e7，金屬厚度為35um。在放大器設(shè)計(jì)中，當(dāng)工作頻率較高時(shí)，必須考慮傳輸線對(duì)放大器輸入輸出匹配的影響，傳輸線的阻抗與電長(zhǎng)度可通過(guò)ADS中的LineCalc工具進(jìn)行仿真計(jì)算得到。

2.3 直流工作點(diǎn)分析

首先是根據(jù)性能指標(biāo)，參考ATF—55143的數(shù)據(jù)手冊(cè)，來(lái)確定芯片的直流工作點(diǎn)。由數(shù)據(jù)手冊(cè)中的性能曲線可知，在VDS=2V，Ids=10mA頻率達(dá)到4.4GHz時(shí)，增益大約為12dB，而且增益主要與漏極-源級(jí)電流（Ids）有關(guān);此外，在漏極-源級(jí)電流（Ids）大于10mA時(shí)，器件的的增益與噪聲系數(shù)都有明顯的改善，而且漏極-源級(jí)電壓（VDS）越大，噪聲系數(shù)越小，但是VDS對(duì)于總體性能的改善并不大。

接下對(duì)比在VDS=2V，Ids=10mA與VDS=2V，Ids=15mA下的噪聲系數(shù)和增益。如圖2所示。

圖2中的3.9GHz與5GHz，我們可以得知在漏極-源級(jí)電流（Ids）大于10mA進(jìn)行偏置時(shí)，芯片的最大增益為將大于12dB，噪聲系數(shù)小于0.92dB。因此，選取的Ids在10mA與15mA之間，能夠保證電路有足夠的裕度達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。

利用ADS對(duì)晶體管建立直流掃描電路圖，獲得輸出特性曲線。確定在VGS=0.44V，VDS=2V時(shí)，Ids=12mA，設(shè)置電源VDD=2.5V，可得總體功耗為30mW（因?yàn)轭l率較高，各個(gè)參數(shù)的損失消耗比較大，要為其他參數(shù)盡可能的留有更大的裕度）。完成直流偏置。

2.4 穩(wěn)定性分析

放大器的穩(wěn)定性分析在放大器設(shè)計(jì)中一項(xiàng)重要步驟。放大器絕對(duì)穩(wěn)定判決條件如下公式[4]：

只有同時(shí)滿足（1）～（4）式，才能保證放大器處于絕對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。

基于ADS對(duì)放大器電路進(jìn)行穩(wěn)定性分析時(shí)，可利用穩(wěn)定性因數(shù)Stab_face（s）或Stab_means（s）可以直接對(duì)晶體管進(jìn)行穩(wěn)定性分析，當(dāng)Stab_face（s）>1或Stab_means（s）

<0時(shí)即可判定晶體管處于絕對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)[5]。

要使低噪聲放大器正常工作，電路必須全頻帶穩(wěn)定，但是通過(guò)對(duì)電路進(jìn)行S參數(shù)掃描得知電路雖然在4.4GHz穩(wěn)定系數(shù)大于1，但在低頻時(shí)卻不穩(wěn)定。要想系統(tǒng)穩(wěn)定，主要有四種方式，分別是串聯(lián)電阻法、串聯(lián)電感并聯(lián)電容法，1/4λ波長(zhǎng)微帶線法和源級(jí)負(fù)反饋。

串聯(lián)電阻法，雖然能顯著增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但會(huì)增大系統(tǒng)損耗并且會(huì)引入噪聲，首先排除;

串聯(lián)電感并聯(lián)電容法，主要利用了電感通直流阻交流器件特性，電容的通交流隔直流特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻信號(hào)的隔離作用。串聯(lián)電感并聯(lián)電容形成了諧振回路，會(huì)阻隔諧振頻率下的高頻信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)改善系統(tǒng)的穩(wěn)定。

1/4λ波長(zhǎng)法，主要是利用了微帶線傳輸定理，1/4λ的波長(zhǎng)的微帶線，在特定頻率的信號(hào)下，會(huì)等效為電感（串聯(lián)1/4λ微帶線）、電容（并聯(lián)1/4λ微帶線），形成諧振回路，改善系統(tǒng)穩(wěn)定性。

源級(jí)負(fù)反饋方式，是增加系統(tǒng)負(fù)反饋的方式，以犧牲一定增益為代價(jià)，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.5 穩(wěn)定性與直流工作點(diǎn)綜合設(shè)計(jì)

在2.3節(jié)直流工作點(diǎn)分析中的仿真基礎(chǔ)之上，將穩(wěn)定性設(shè)計(jì)和偏置電路設(shè)計(jì)相結(jié)合，將兩者之間的相互影響聯(lián)系起來(lái)，實(shí)現(xiàn)同分析、同設(shè)計(jì)、同仿真，可節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間成本[6]。這里選用1/4λ波長(zhǎng)微帶線法和源級(jí)負(fù)反饋。因電路本身都是由一段微帶線阻成，方便實(shí)現(xiàn)而且成本較低;引入源級(jí)負(fù)反饋是因?yàn)樾酒脑醇?jí)本身就要接地，既可以增強(qiáng)電路的穩(wěn)定性，也可以能模擬芯片焊盤對(duì)電路的影響，提高系統(tǒng)仿真的可靠性。

由圖3可知電路已經(jīng)全頻帶穩(wěn)定，而且增益裕度充足。在設(shè)計(jì)電路時(shí)發(fā)現(xiàn)微帶線較寬時(shí)（阻抗為50Ω），系統(tǒng)的噪聲系數(shù)下降特別嚴(yán)重，后來(lái)調(diào)整微帶線寬度為30mil后（阻抗約為70Ω），噪聲系數(shù)有了一定的改善。

2.6 匹配電路

因?yàn)?，本電路是要?shí)現(xiàn)低噪聲放大器，因此這里的輸入阻抗應(yīng)以最小噪聲系數(shù)的阻抗點(diǎn)進(jìn)行共軛匹配。

接下來(lái)通過(guò)輸入阻抗控件來(lái)觀察輸出阻抗，進(jìn)行共軛匹配。匹配完成后調(diào)整電路如圖4所示。

3.版圖的設(shè)計(jì)與電磁場(chǎng)仿真

通過(guò)Layout>>Generate/Update Layout生成版圖，調(diào)整后的版圖如圖5

建立聯(lián)合仿真原理圖如圖3.2所示

通過(guò)聯(lián)合仿真并優(yōu)化后的最終結(jié)果如下。

由圖8可以看出，系統(tǒng)全頻帶穩(wěn)定。由圖12可以得知系統(tǒng)最終的噪聲系數(shù)NF=1.69dB，明顯小于原理圖仿真，主要原因應(yīng)該板材的阻抗較大，對(duì)噪聲有一定的抑制能力。由圖3.5可以看到電磁場(chǎng)仿真與原理圖仿真總體的趨勢(shì)相同，但還是有一定的差別，主要表現(xiàn)在反射系數(shù)減小，增益減小。最終的系統(tǒng)參數(shù)為S11=15.597dB，S21=10.887dB，S22=11.415dB。

因此，電路系統(tǒng)最終的所有參數(shù)都達(dá)到了要求。

4.總結(jié)

利用ADS仿真軟件完整設(shè)計(jì)與仿真了一個(gè)基于晶體管ATF-55143低噪聲放大器，采用1/4λ波長(zhǎng)微帶線法和源級(jí)負(fù)反饋的方法，將直流工作點(diǎn)與穩(wěn)定性設(shè)計(jì)相結(jié)合的方法，在達(dá)到噪聲匹配、最小的反射匹配的同時(shí)，通過(guò)在放大器的偏置電路的源級(jí)引入1/4λ微帶線形成負(fù)反饋的方式，使放大器電路在全頻段內(nèi)滿足穩(wěn)定性要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 衛(wèi)少卿，寇陽(yáng).一種K波段低噪聲放大器的設(shè)計(jì)[J].無(wú)線電工程，2018，48（7）：584-587

作者簡(jiǎn)介：任朝陽(yáng)（1996～），本科，助理工程師，從事宇航測(cè)控通信領(lǐng)域調(diào)試與測(cè)試研究。

張凱（1992～），碩士，助理工程師，從事宇航測(cè)控通信領(lǐng)域研究。