低噪聲放大器的設(shè)計(jì)與仿真

隨著技術(shù)與工藝的提高，通信系統(tǒng)中限制通信距離的因素已不是信號(hào)的微弱程度，而是噪聲干擾的程度?？朔肼暩蓴_是設(shè)計(jì)電子設(shè)備必須考慮的問題。從廣義上來(lái)講。噪聲是指設(shè)計(jì)中不需要的干擾信號(hào)，然而各種各樣的通信信號(hào)通常是以電波形式傳播，因此，接收有用信號(hào)的同時(shí)，不可避免地混入各種無(wú)用信號(hào)。即便是采取濾波、屏蔽等方法，還是會(huì)有或多或少無(wú)用的信號(hào)滲入到接收信道中，干擾后續(xù)信號(hào)處理。在改善外部干擾的同時(shí)，還需充分發(fā)揮設(shè)計(jì)人員的主觀能動(dòng)性，即就是從接收機(jī)內(nèi)部降低設(shè)備自身干擾，主要是采用低噪聲放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，這里提出一種低噪聲放大器的設(shè)計(jì)方案。

1 低噪聲放大器技術(shù)指標(biāo)與設(shè)計(jì)原則
1．1 主要技術(shù)指標(biāo)
    低噪聲放大器的主要技術(shù)指標(biāo)包括：噪聲系數(shù)、功率增益、輸入輸出駐波比、反射系數(shù)和動(dòng)態(tài)范圍等。由于設(shè)計(jì)低噪聲放大器時(shí)，在兼顧其他各指標(biāo)的同時(shí)，主要考慮噪聲系數(shù)。噪聲系數(shù)是信號(hào)通過(guò)放大器(或微波器件)后，由于放大器(或微波器件)產(chǎn)生噪聲使得信噪比變壞。信噪比下降的倍數(shù)就是噪聲系數(shù)，通常用NF表示。放大器自身產(chǎn)生的噪聲常用等效噪聲溫度表示。噪聲溫度與噪聲系數(shù)NF的關(guān)系
   
式中，T0為環(huán)境溫度，通常以絕對(duì)溫度為單位，293 K，注意：這里的噪聲系數(shù)NF并非以dB為單位。
    對(duì)于單級(jí)放大器，噪聲系數(shù)的計(jì)算公式為
   
式中，NFmin為晶體管最小噪聲系數(shù)，由晶體管本身決定；Γout、Rn、Гs分別為獲得NFmin時(shí)的最佳源反射系數(shù)、晶體管等效噪聲電阻、晶體管輸入端的源反射系數(shù)。
    而多級(jí)放大器噪聲系數(shù)的計(jì)算公式為
   
式中，NF總為放大器整機(jī)噪聲系數(shù)；NF1、NF2、NF3分別為第1，2，3級(jí)的噪聲系數(shù)；G1、G2分別為第1，2級(jí)功率增益。
    從式(3)看出，當(dāng)前級(jí)增益G1和G2足夠大時(shí)，整機(jī)的噪聲系數(shù)接近第l級(jí)的噪聲系數(shù)。因此多級(jí)放大器中，第1級(jí)的噪聲系數(shù)大小起決定作用。
1．2 設(shè)計(jì)原則
1．2．1 晶體管的選取
    射頻電路中低噪聲晶體管的主要技術(shù)指標(biāo)為：高增益、低噪聲以及足夠的動(dòng)態(tài)范圍?，F(xiàn)階段雙極型低噪聲管的工作頻率可達(dá)到幾十吉赫茲，噪聲系數(shù)為幾分貝，砷化鎵小信號(hào)場(chǎng)效應(yīng)管的工作頻率更高，并且噪聲系數(shù)可達(dá)1 dB以下。
    在選取低噪聲晶體管時(shí)，通常遵循以下2個(gè)原則：1)微波低噪聲晶體管的噪聲系數(shù)足夠小，工作頻段足夠高，一般情況下所選擇的晶體管的fT要比其工作頻率高4倍以上；2)所選的微波低噪聲晶體管要有足夠高的增益與足夠大的動(dòng)態(tài)范圍。通常要求放大器的工作增益大于10dB，當(dāng)輸入信號(hào)達(dá)到系統(tǒng)最大值時(shí)，由放大器非線性引起的交調(diào)分量小于系統(tǒng)基底噪聲。
1．2．2 電路設(shè)計(jì)原則
    這里的電路設(shè)計(jì)原則實(shí)際就是輸入輸出匹配電路的設(shè)計(jì)原則。首先，輸入匹配電路的設(shè)計(jì)原則是：在優(yōu)先滿足最小噪聲的前提下，提高電路增益。也就是根據(jù)輸入等增益圓與等噪聲圓選取合適的Гout。如圖l所示，通常要求Zout=Zopt，Гout=Гopt。其次，輸出匹配電路的基本任務(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50 Ω。輸出匹配電路主要是提高增益高，因此所設(shè)計(jì)的輸出匹配電路在Zin=ZT*成立才能夠?qū)崿F(xiàn)其任務(wù)。再者，放大器設(shè)計(jì)必須使得所設(shè)計(jì)的放大器是穩(wěn)定的，也就是需要滿足穩(wěn)定性條件。最后，在滿足指標(biāo)的同時(shí)，重點(diǎn)考慮工藝和結(jié)構(gòu)上的可實(shí)現(xiàn)性。工藝上應(yīng)選擇損耗小、易于加工、性質(zhì)穩(wěn)定、材料的物理(厚度)和電氣性能(介電常數(shù))均勻，同時(shí)表面光潔度達(dá)到一定要求的印制板。對(duì)于基板材料方面FR-4(介電常數(shù)4～5之間)與氧化鋁陶瓷是常用的微波基板。在PCB布板時(shí)還需考慮鄰近相關(guān)電路的影響。此外應(yīng)注意濾波、接地和外電路設(shè)計(jì)中電磁兼容設(shè)計(jì)原則。

2 低噪聲放大器設(shè)計(jì)步驟
    該設(shè)計(jì)是借助于功能強(qiáng)大的射頻電路設(shè)計(jì)與仿真軟件ADS進(jìn)行設(shè)計(jì)的。這里所設(shè)計(jì)的低噪聲放大器是一個(gè)結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的單級(jí)低噪聲放大器，旨在簡(jiǎn)單明了說(shuō)明使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件快速設(shè)計(jì)低噪聲放大器。
2．1 指標(biāo)要求
    為了清楚說(shuō)明該低噪聲放大器的設(shè)計(jì)過(guò)程，其設(shè)計(jì)指標(biāo)并不是很高，具體如下：頻率范圍為2～2．2 GHz；增益G大于15 dB：噪聲系數(shù)NF小于1 dB；工作電壓為5 V；工作電流小于150 mA：輸入輸出駐波比VSWR小于1．5；輸入輸出的阻抗為50 Ω；RF信號(hào)接頭為SMA；外形尺寸為43 mmx26 mmx8 mm。
2．2 設(shè)計(jì)步驟
2．2．1 晶體管的選型
    通過(guò)查閱晶體管生產(chǎn)廠商的相關(guān)資料，綜合上述低噪聲晶體管的選擇原則，這里選用Agilent公司的ATF-54143型晶體管。
2．2．2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)確足
    在選好晶體管后，理論上就要確定直流工作點(diǎn)。但實(shí)際工程實(shí)踐中，則是直接將所選晶體管的數(shù)據(jù)資料中的相應(yīng)S參數(shù)寫入相應(yīng)設(shè)計(jì)軟件中，以S參數(shù)為模設(shè)計(jì)電路。S參數(shù)能夠完全反映晶體管的所有特性，這是因?yàn)椋?)在對(duì)器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)不關(guān)心時(shí)，只注重其外部特性時(shí)，就完全能夠以網(wǎng)絡(luò)參數(shù)形式代替這一器件的外部特性；2)晶體管的數(shù)據(jù)資料的相關(guān)參數(shù)都是針對(duì)實(shí)際產(chǎn)品在一定的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)下測(cè)得的，因此更接近于器件的實(shí)際特性。
    圖2是對(duì)所選擇晶體管在ADS中搭建的電路，主要是用于對(duì)晶體管的輸入阻抗與對(duì)應(yīng)于最小噪聲系數(shù)的最佳阻抗的測(cè)量，這些測(cè)量很容易在ADS中實(shí)現(xiàn)。

    根據(jù)上述關(guān)于輸入阻抗結(jié)果來(lái)設(shè)計(jì)輸入匹配網(wǎng)絡(luò)。該設(shè)計(jì)滿足最小噪聲匹配，并兼顧增益指標(biāo)。其原因可由式(3)得到。這里選用的是PHEMT晶體管，該晶體管能夠在噪聲系數(shù)不是最小時(shí)，也能夠?qū)崿F(xiàn)低噪聲指標(biāo)。
    在設(shè)計(jì)的過(guò)程中曾經(jīng)試圖以最小噪聲匹配為目標(biāo)，但是最后在兼顧增益的前提下，選擇了最佳增益匹配為目標(biāo)的設(shè)計(jì)。但無(wú)論是以最小噪聲為目標(biāo)還是以最大增益匹配為目標(biāo)，在ADS中的實(shí)現(xiàn)方式基本是一致的。
    在確定了匹配的目標(biāo)后，可以很容易運(yùn)用ADS的設(shè)計(jì)向?qū)?，?duì)匹配電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。通常情況下選擇支節(jié)匹配。當(dāng)選擇設(shè)計(jì)向?qū)е械膯沃Ч?jié)模塊，通過(guò)對(duì)輸入輸出匹配參數(shù)的設(shè)定，就能很容易實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)的匹配電路。如圖3所示。其中，圖3(b)為圖3(a)中微帶支節(jié)匹配的具體形式。這里需要說(shuō)明的是，在設(shè)計(jì)過(guò)程中所選的基板材料為介電常數(shù)為4．3的環(huán)氧玻璃FR-4，基板厚度為0．8 mm。

    對(duì)輸入匹配電路設(shè)計(jì)完成之后，接下來(lái)就是對(duì)輸出匹配電路的設(shè)計(jì)，使用與輸入匹配電路設(shè)計(jì)中相類似方法，得到輸出匹配電路的初值。之所以這里為初值，是因?yàn)楫?dāng)按照目標(biāo)值設(shè)計(jì)輸出匹配電路，輸入駐波比達(dá)不到指標(biāo)要求。因此必須對(duì)輸出匹配電路進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。為了充分發(fā)揮CAD軟件優(yōu)勢(shì)，這里對(duì)匹配電路的調(diào)整借助于優(yōu)化方法，圖4為優(yōu)化電路的原理圖。
    最后加上偏置網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行整體仿真，其實(shí)加不加偏置網(wǎng)絡(luò)對(duì)仿真過(guò)程影響并不是很大。因?yàn)槠镁W(wǎng)絡(luò)是通過(guò)高頻扼流圈接入的，這就使得射頻信號(hào)不會(huì)對(duì)電源部分造成影響，同時(shí)，通過(guò)一段四分之一波長(zhǎng)的傳輸線引入電源。因此，對(duì)于射頻電路，電源接入射頻電路的接入點(diǎn)相當(dāng)于對(duì)射頻信號(hào)是開路的，同樣直流電源的引入也不會(huì)對(duì)射頻電路造成影響，并且在RF信號(hào)的輸入端也加入了DC Block，進(jìn)一步隔斷直流對(duì)
射頻信號(hào)的影響。最終電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。

3 設(shè)計(jì)結(jié)果
3．1 仿真結(jié)果
    低噪聲放大器設(shè)計(jì)結(jié)果如圖6所示。從圖6可得：在整個(gè)頻帶內(nèi)，輸入輸出駐波比VSWRl與VSWR2小于1．5：增益以dB(S(2，1))表示大于15 dB，噪聲系數(shù)nf(2)小于0．5，而穩(wěn)定性系數(shù)StabFactl以及穩(wěn)定性因子均大于1，也就是說(shuō)所設(shè)計(jì)的低噪聲放大器完全滿足指標(biāo)要求。

3．2 版圖的設(shè)計(jì)結(jié)果
    利用ADS可以直接由原理圖生成版圖的特性，首先在ADS中由所完成的原理圖生產(chǎn)版圖，通過(guò)對(duì)版圖的相應(yīng)調(diào)整，最終以AutoCAD的形式完成版圖與結(jié)構(gòu)圖的設(shè)計(jì)，結(jié)果如圖7所示。

    從圖7可以容易發(fā)現(xiàn)，版圖的設(shè)計(jì)中，在微帶線的兩邊放置許多小方塊，這些小方塊是在微波電路設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用的微調(diào)小島。雖然其調(diào)節(jié)力度有限，但是有了這些微調(diào)小島，在一定程度上可以節(jié)約設(shè)計(jì)成本：不至于對(duì)電路板的調(diào)節(jié)心有余而力不足，導(dǎo)致無(wú)法微調(diào)而需再版。版圖中扇形開路線的應(yīng)用，起到了對(duì)增益平坦度的調(diào)節(jié)作用：對(duì)于某些較低頻率的信號(hào)，扇形開路線對(duì)這些信號(hào)短路，從而降低了低端信號(hào)的增益。而做成扇形結(jié)構(gòu)可以大幅提高調(diào)節(jié)范圍。在結(jié)構(gòu)方面需要補(bǔ)充說(shuō)明的一點(diǎn)是：盒體窄邊尺寸必須小于工作頻段最高頻率波長(zhǎng)的二分之一，這一要求受限于截止波導(dǎo)相關(guān)理論。

4 結(jié)束語(yǔ)
    通過(guò)簡(jiǎn)單的低噪聲放大器的設(shè)計(jì)與仿真，論述了整個(gè)低噪聲放大器的設(shè)計(jì)流程。尤其對(duì)ADS中如何實(shí)現(xiàn)低噪聲放大器做了較為詳細(xì)的論述，充分體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)。在匹配電路的設(shè)計(jì)中，采用開路支節(jié)匹配電路；在版圖的設(shè)計(jì)中，有關(guān)扇形開路支節(jié)的內(nèi)容，同樣是對(duì)四分之一波長(zhǎng)阻抗變換理論的體現(xiàn)；在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中也涉及到了截止波導(dǎo)相關(guān)理論的應(yīng)用，這一切都充分體現(xiàn)了理論與實(shí)踐的完美結(jié)合。