基于ADS的C波段的低噪聲放大器仿真設(shè)計(jì)研究

摘要：低噪聲放大器是接收機(jī)中最重要的模塊之一，文中采用了低噪聲、較高關(guān)聯(lián)增益、PHEMT技術(shù)設(shè)計(jì)的ATF35176晶體管，設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于5．5～6．5 GHz頻段的低噪聲放大器。為了獲得較高的增益，該電路采用三級(jí)級(jí)聯(lián)放大結(jié)構(gòu)形式，并通過(guò)ADS軟件對(duì)電路的增益、噪聲系數(shù)、駐波比、穩(wěn)定系數(shù)等特性進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)，最終得到LNA在該頻段內(nèi)增益大于32．8 dB，噪聲小于1．5 dB，輸入輸出駐波比小于2，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。
關(guān)鍵詞：低噪聲放大器；ADS；PHEMT；負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)；匹配電路

    在整個(gè)接收系統(tǒng)中，低噪聲放大器總是處于前端的位置。整個(gè)接收系統(tǒng)的噪聲取決于低噪聲放大器的噪聲。與普通放大器相比，低噪聲放大器一方面可以減小系統(tǒng)的雜波干擾，提高系統(tǒng)的靈敏度；另一方面放大系統(tǒng)的信號(hào)，保證系統(tǒng)工作的正常運(yùn)行?？傊?，低噪聲放大器的性能不僅制約了整個(gè)接收系統(tǒng)的性能，而且，對(duì)于整個(gè)接收系統(tǒng)技術(shù)水平的提高，也起了決定性的作用。

1 低噪聲放大器的設(shè)計(jì)指標(biāo)
    低噪聲放大器的主要性能指標(biāo)包括：穩(wěn)定性、功率增益、噪聲系數(shù)、增益平坦度等，在這些指標(biāo)之中噪聲系數(shù)和放大增益對(duì)系統(tǒng)性能的影響較大。因此對(duì)低噪聲放大器的設(shè)計(jì)主要從穩(wěn)定性、功率增益、噪聲系數(shù)、輸入輸出電壓駐波比等方面進(jìn)行考慮。
1．1 穩(wěn)定性
    放大器電路必須滿足的首要條件之一是其在工作頻段內(nèi)的穩(wěn)定性。因?yàn)榧偃缭谠O(shè)計(jì)和制造放大器時(shí)不謹(jǐn)慎從事，在微波頻率上一些不可避免的寄生因素往往足以引起振蕩。
    所以為了保證電路的穩(wěn)定性，主要采取以下措施：1)可以在源極引入負(fù)反饋，使電路處于穩(wěn)定狀態(tài)；2)采用鐵氧體隔離器能穩(wěn)定電路；3)在漏極串聯(lián)電阻或∏型阻性衰減器，通常接在低噪聲放大器末級(jí)或末前級(jí)輸出口。而目前提高電路穩(wěn)定性常用的是引入負(fù)反饋。
1．2 功率增益以及增益平坦度
    放大電路的增益是放大電路最重要性能指標(biāo)，也是設(shè)計(jì)放大電路的一個(gè)基本參數(shù)。因此在放大器的設(shè)計(jì)中增益指標(biāo)的完成很是重要，功率增益主要有3種描述方式：可用功率增益GA，工作功率增益GP，轉(zhuǎn)換功率增益GT。
    增益平坦度對(duì)于低噪聲放大電路來(lái)說(shuō)，就是全頻帶范圍內(nèi)增益變化要平緩，不允許增益變化陡變。
1．3 噪聲系數(shù)
    噪聲系數(shù)是LNA的另一重要指標(biāo)，如果接收系統(tǒng)噪聲系數(shù)過(guò)大，信號(hào)會(huì)被噪聲埋沒(méi)，致使接收系統(tǒng)的靈敏度減小。
1．4 駐波比
    低噪聲放大器通常用輸入輸出駐波比來(lái)表示輸入輸出信號(hào)的反射損耗，輸入輸出駐波比過(guò)大時(shí)不僅會(huì)損壞與低噪聲放大器級(jí)聯(lián)的器件還會(huì)使系統(tǒng)的增益起伏和群遲延變壞，因此低噪聲放大器的輸入輸出駐波比應(yīng)該滿足一定要求，在一般系統(tǒng)中功率放大器的輸入輸出駐波比要小于2。

2 低噪聲放大器的電路設(shè)計(jì)步驟
2．1 晶體管器件的選擇和級(jí)數(shù)的確定
    隨著器件工藝技術(shù)的發(fā)展，人們開(kāi)發(fā)了許多新型的半導(dǎo)體器件。除砷化鉀場(chǎng)效應(yīng)晶體管(GaAs FET)外，其佼佼者有高電子遷移率晶體管(HEMT)和異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)。根據(jù)有關(guān)資料對(duì)3種主要器件的介紹和比較，我們知道HEMT可以提高跨導(dǎo)和電流密度，而且它能減小電路對(duì)工藝的敏感性，用HEMT制作的多級(jí)低噪聲放大器已廣泛用于衛(wèi)星接收系統(tǒng)、電子系統(tǒng)及雷達(dá)系統(tǒng)。所以本設(shè)計(jì)選用HP公司的ATF-35176來(lái)進(jìn)行低噪聲放大器的設(shè)計(jì)。該器件是一種低噪聲砷化鎵PHEMT器件，適用于工作在2～18 GHz的低噪聲放大器，滿足設(shè)計(jì)要求。
    另外考慮放大器的增益指標(biāo)，由于一般的單管增益為9～12 dB，本設(shè)計(jì)的低噪聲放大器目標(biāo)需達(dá)到30 dB的增益，因此采用了三級(jí)級(jí)聯(lián)放大電路。
2．2 晶體管直流分析
    靜態(tài)工作點(diǎn)的選擇直接關(guān)系到放大電路的各種性能，所以結(jié)合ATF35176的使用手冊(cè)上的數(shù)據(jù)對(duì)該晶體管的傳輸特性進(jìn)行分析，選擇合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。
2．3 偏置電路設(shè)計(jì)
    直流偏置電路根據(jù)外加電源可以分為2種：一種是雙電源供電，另一種是單電源供電。單電源供電一般用于微波較低頻段，單電源供電電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是對(duì)于噪聲有一定影響。雙電源供電一般用于比較高的微波頻段，因?yàn)樗梢栽诟哳l段提供較好的噪聲特性。本論文采用的就是正負(fù)雙電源供電，有利于低噪聲設(shè)計(jì)，偏置電路如圖1所示。

2．4 穩(wěn)定性分析
    由于對(duì)偏置電路進(jìn)行仿真得到穩(wěn)定系數(shù)結(jié)果如圖2所示，可以從圖中看出在整個(gè)工作頻段，放大器處于絕對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，所以無(wú)需進(jìn)行穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。

2．5 輸入匹配電路設(shè)計(jì)
    由于本設(shè)計(jì)采用多級(jí)放大，而第一級(jí)放大器的噪聲系數(shù)對(duì)整個(gè)低噪聲放大器電路的影響起這決定性作用，所以第一級(jí)放大器按照最小噪聲系數(shù)對(duì)輸入端進(jìn)行匹配，采用smith圓圖工具進(jìn)行匹配，得到的輸入匹配電路如圖3所示。

2．6 級(jí)間匹配
    級(jí)間匹配電路的基本任務(wù)是使后級(jí)微波管輸入阻抗與前級(jí)微波管輸出阻抗匹配，以獲得較大增益。因?yàn)榈谝患?jí)的設(shè)計(jì)是按最低噪聲設(shè)計(jì)的，并沒(méi)有使增益達(dá)到最大，所以第二級(jí)的噪聲對(duì)整體的影響也是十分明顯的，因此第一二級(jí)間的匹配也要偏重噪聲系數(shù)，匹配電路如圖4所示。而二三級(jí)間的匹配電路按照最大增益匹配設(shè)計(jì)，匹配電路如圖5所示。

2．7 輸出匹配電路設(shè)計(jì)
    輸出匹配電路的設(shè)計(jì)主要考慮增益和駐波比，基本任務(wù)是把微波管復(fù)數(shù)輸出阻抗匹配到負(fù)載實(shí)數(shù)阻抗，從而提高增益和輸出駐波比，匹配電路如圖6所示。

2．8 負(fù)反饋電路
    為了適當(dāng)改善放大器增益平坦度，在晶體管柵源之間采用負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)所示，具體電路如圖7所示。

    實(shí)際上負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)除了拓寬頻帶、改善增益平坦度外，還參與了匹配并改善輸入輸出駐波，其優(yōu)點(diǎn)是便于充分發(fā)揮PHEMT電路的低噪聲和高增益特性。
2．9 整體電路仿真優(yōu)化
    采用ADS中的優(yōu)化功能，對(duì)原理圖中微帶線的長(zhǎng)度、電容與電感值進(jìn)行優(yōu)化，最后得到滿足要求的低噪聲放大器。其仿真所得的駐波比、噪聲系數(shù)以及增益分別如圖8、圖9、圖10所示。

    通過(guò)ADS仿真，噪聲放大器工作在5．5～6．5 GHz波段，增益大于32．8 dB，噪聲系數(shù)小于1．5 dB，駐波比小于2，滿足設(shè)計(jì)需求。

3 結(jié)束語(yǔ)
    文中主要采用三級(jí)放大，低噪聲放大器選用ATF-35176晶體管，通過(guò)仿真分析，完成了偏置電路以及輸入、級(jí)間和輸出的匹配電路設(shè)計(jì)，并采用ADS軟件進(jìn)行全部電路的優(yōu)化仿真，仿真結(jié)果表明，低噪聲放大器工作在5．5～6．5 GHz波段，增益大于32．8 dB，噪聲系數(shù)小于1．5 dB，駐波比小于2，達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。本設(shè)計(jì)還有進(jìn)一步改善的可能，接下來(lái)將繼續(xù)采用一些其他的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)來(lái)改善此設(shè)計(jì)。