基于Multisim 10的射頻LNA仿真和設(shè)計(jì)

摘要：NI Multisim 10是著名的EDA軟件，其仿真功能非常強(qiáng)大，RF電路中LNA的設(shè)計(jì)是一個(gè)難題。使用Multisim設(shè)計(jì)RF LNA電路，利用虛擬網(wǎng)絡(luò)分析儀和Smith圓圖，對(duì)典型RF LNA電路的各種參數(shù)進(jìn)行仿真測(cè)試，進(jìn)而設(shè)計(jì)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)化電路性能，在設(shè)計(jì)實(shí)踐中取得了很好的效果。這對(duì)于通信電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，對(duì)于RF電路的教學(xué)和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)具有重要的意義。
關(guān)鍵詞：Multisim 10；RF LNA電路；仿真和設(shè)計(jì)；網(wǎng)絡(luò)分析儀；Smith圓圖；阻抗匹配

    近年來，隨著科技的發(fā)展，便攜式數(shù)據(jù)終端(PDT)逐漸走人人們的生活，第3代移動(dòng)通信(3G)、全球定位系統(tǒng)(GPS)、無線局域網(wǎng)(WIAN)以及衛(wèi)星微波等通信電子產(chǎn)品已走入人們的生活。這依賴于無線通信技術(shù)尤其是射頻(RF)和微波(WM)技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)，也為射頻電路的仿真和設(shè)計(jì)提出了更高的要求。通常，人們以0．3 GHz到4～5 GHz(S帶)為射頻頻段，以4～8 GHz(C帶)或更高的頻段為微波頻段，射頻電路工作時(shí)會(huì)出現(xiàn)寄生效應(yīng)，如電路的雜散電容、雜散電感、趨膚效應(yīng)和電磁輻射等，其中的元器件只能作為分布式元器件來考慮。射頻電路的設(shè)計(jì)要求低噪聲、高增益、高穩(wěn)定性和輸入輸出阻抗匹配，設(shè)計(jì)時(shí)不僅要考慮射頻分立元器件或集成電路的選取，考慮射頻電路整體性能的協(xié)調(diào)，考慮高速印制電路板(PCB)的設(shè)計(jì)，還要依賴于設(shè)計(jì)者的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，依賴于用計(jì)算機(jī)射頻仿真工具進(jìn)行仿真和實(shí)際儀器測(cè)量和驗(yàn)證。
    對(duì)于RF電路的設(shè)計(jì)而言，計(jì)算機(jī)電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)工具是必不可少的。由于RF元器件的仿真模型設(shè)計(jì)比較困難，RF電路的計(jì)算機(jī)仿真還不太精準(zhǔn)，所以，選取一款優(yōu)秀的RF電路仿真工具對(duì)于RF電路的設(shè)計(jì)是十分必要的。目前用的比較多的RF仿真設(shè)計(jì)工具是Agilent公司的ADS，ADS雖然功能強(qiáng)大，但因操作復(fù)雜初學(xué)者不易掌握。研究發(fā)現(xiàn)NI公司的Multisim射頻仿真功能也十分強(qiáng)大，Multisim是最常用的綜合性電路仿真工具，從早期的EWB5．0到Muhisim 11，能夠仿真的電路類型越來越多。Muhisim支持電路編輯，虛擬儀器測(cè)量，操作簡(jiǎn)單方便，在教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和研發(fā)中具有不可替代的作用。Multisim的RF電路仿真模塊包含100多個(gè)RF元器件，利用Spice語(yǔ)言描述RF元器件特性，并且支持自定義RF Spice模型。RF虛擬儀器有頻譜分析儀和網(wǎng)絡(luò)分析儀，可以對(duì)RF雙端口電路進(jìn)行仿真分析和設(shè)計(jì)。網(wǎng)絡(luò)分析儀可以測(cè)量雙端口網(wǎng)絡(luò)的各種特性參數(shù)，支持Smith圓圖測(cè)量S參數(shù)和Z參數(shù)，可以自動(dòng)進(jìn)行阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。下面以分立元件RF前端低噪聲放大器(LNA)的仿真和設(shè)計(jì)為例，使用Multisim 10中的網(wǎng)絡(luò)分析儀，以Smith圓圖為輔助工具，探討RF電路的仿真和設(shè)計(jì)方法。

1 理論分析和RF LNA電路的建立
    RF LNA屬于典型的雙端口網(wǎng)絡(luò)，需要用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)量，Multisim中的虛擬網(wǎng)絡(luò)分析儀是效仿現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)分析儀HP8751A的一種虛擬儀表，功能十分全面，可以測(cè)量RF雙端口電路的S參數(shù)、H參數(shù)、Y參數(shù)、Z參數(shù)和穩(wěn)定因子，可以測(cè)量電路的功率增益、電壓增益和輸入輸出阻抗，可以進(jìn)行阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)分析，支持多種圖表顯示格式。在仿真測(cè)量中以Smith圓圖為輔助分析設(shè)計(jì)工具，可以在Smith圓圖中顯示電路的S參數(shù)、Z參數(shù)和穩(wěn)定性圓圖。設(shè)電路的歸一化輸入阻抗為z，反射系數(shù)為Γ，z和Γ都是復(fù)數(shù)，z=r+jx，Γ=Γr+jΓi，經(jīng)過變換可以得到兩組圓的方程，這就是Smith阻抗圓圖。如果在Smith圓圖中測(cè)出電路的S參數(shù)，則可以計(jì)算出RF電路的增益、駐波比SWR、輸入輸出端反射系數(shù)、輸入輸出端回波損耗等，也可由網(wǎng)絡(luò)分析儀很方便的測(cè)量有關(guān)參數(shù)。

    對(duì)于RF LNA電路的設(shè)計(jì)，要求低噪聲、高增益和高穩(wěn)定性，噪聲干擾主要是指熱噪聲和散彈噪聲，可以通過選取合適的RF元器件解決，高增益主要由多級(jí)電路解決。本電路選取低噪聲RF晶體管MRF947為核心信號(hào)放大元器件，單級(jí)共射放大器結(jié)構(gòu)，信號(hào)源中心頻率為1 GHz，阻抗為50 Ω，負(fù)載阻抗為50Ω，要求電路有一定的增益和穩(wěn)定性，經(jīng)計(jì)算得到其中的偏置電阻網(wǎng)絡(luò)，選用實(shí)際電阻R2=261 kΩ，R3=2.1 kΩ，使放大電路有合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。在Muhisim 10中創(chuàng)建以上電路，接入網(wǎng)絡(luò)分析儀，如圖1所示。

2 RF LNA電路的仿真過程
    在Muhisim 10中連接好以上電路，網(wǎng)絡(luò)分析儀P1接電路輸入端，P2接電路輸出端，按下Run按鈕運(yùn)行仿真，運(yùn)行一段時(shí)間后可以再次按下Run按鈕停止仿真。當(dāng)進(jìn)行仿真時(shí)，網(wǎng)絡(luò)分析儀以一種特定的激勵(lì)信號(hào)作用于被測(cè)電路的輸入輸出端，接收電路的響應(yīng)信號(hào)并進(jìn)行仿真運(yùn)算。其中包含兩次交流分析過程，第1次交流分析用來測(cè)量輸入端的參數(shù)S11、S21，第2次交流分析用來測(cè)量輸出端的參數(shù)S22、S12，S參數(shù)確定后進(jìn)行運(yùn)算得到其他參數(shù)，如功率增益、電壓增益、輸入輸出阻抗等均可由S參數(shù)運(yùn)算得出。在網(wǎng)絡(luò)分析儀中可以查看各種仿真數(shù)據(jù)，并可以將這些數(shù)據(jù)用于進(jìn)一步的仿真分析。
    仿真完成后，雙擊網(wǎng)絡(luò)分析儀圖標(biāo)，打開網(wǎng)絡(luò)分析儀面板，可以看到各種參數(shù)隨信號(hào)頻率的變化曲線，在面板上面顯示各種參數(shù)數(shù)值，頻率掃描范圍為1 MHz～10 GHz，拖動(dòng)下面的頻率調(diào)整滑塊到1 GHz，可以測(cè)量這個(gè)頻率點(diǎn)的各種參數(shù)數(shù)值。在面板右側(cè)Mode區(qū)域按下Measur ement(檢測(cè)模式)按鈕，測(cè)量電路的S參數(shù)、H參數(shù)、Y參數(shù)、Z參數(shù)和穩(wěn)定因子，可以設(shè)置不同的圖形顯示方式，可以設(shè)置不同的數(shù)值顯示方式，單擊Auto Scale按鈕，可以自動(dòng)調(diào)整刻度。通過仿真得到本電路Smith圓圖S參數(shù)曲線和穩(wěn)定因子曲線，1 GHz頻率點(diǎn)的穩(wěn)定因子δ=0．099(δ<1)，K=6．823(K>1)，說明電路在此頻率點(diǎn)無條件穩(wěn)定，Smith圓圖S參數(shù)曲線如圖2所示。

    在面板右側(cè)Mode區(qū)域按下RF Characterizer(射頻特性分析模式)按鈕，可以測(cè)量電路的Power Gains(功率增益)、Gains(電壓增益)和Impendence(輸入輸出阻抗)。經(jīng)仿真測(cè)試，本電路1 GHz頻率點(diǎn)的一般功率增益PG=4．513 dB，可用功率增益APG=3．864 dB，傳感器功率增益TPG=3．718 dB，電壓增益V．G.=7．508 dB／114．552 Deg，輸入阻抗Zin=23．347／-21．461 Deg，輸出阻抗Zout=38．676／-14．746 Deg。其中功率增益曲線如圖3所示。

    在RF LNA電路的設(shè)計(jì)中，要求信號(hào)源阻抗為50 Ω，電路負(fù)載阻抗為50 Ω，電路增益為十幾分貝，從上面的仿真結(jié)果分析，電路增益不能滿足要求，為了提高增益，可以采用多級(jí)放大電路，但是對(duì)于上面的單級(jí)放大電路來講，由于電路的輸入阻抗和信號(hào)源阻抗不匹配，輸出阻抗和負(fù)載阻抗不匹配，導(dǎo)致射頻電路不能傳遞最大功率增益，為此，需要改進(jìn)電路結(jié)構(gòu)，在輸入輸出端加入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，以使單級(jí)放大電路獲得較高的增益，Muhisim射頻仿真中有專門的設(shè)計(jì)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的功能。

3 輸入輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和后仿真
    仿真停止后，在面板右側(cè)Mode區(qū)域按下Match Net．Designer(匹配網(wǎng)絡(luò)分析模式)按鈕，即可以進(jìn)行阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。單擊Stability Circles標(biāo)簽，把頻率調(diào)到1 GHz，可以查看輸入輸出穩(wěn)定性Smith圓圖，分析電路的穩(wěn)定性，其中Stability項(xiàng)顯示Unconditionally Stabl e，說明電路無條件穩(wěn)定。在電路穩(wěn)定的基礎(chǔ)上進(jìn)一步設(shè)計(jì)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，單擊Impedance Matching標(biāo)簽，可以在圖上選擇不同的匹配電路結(jié)構(gòu)，本電路選擇電感電容網(wǎng)絡(luò)，在右下角選中Auto．Match，即可以自動(dòng)計(jì)算出匹配元件的大小，如圖4所示。

    在原電路輸入輸出端加入圖4中設(shè)計(jì)出來的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，其中的元件用數(shù)值最接近的實(shí)際元件代替，得到完整的單級(jí)RF LNA電路，如圖5所示。

    對(duì)上面設(shè)計(jì)完成的RF LNA電路重新進(jìn)行射頻特性仿真測(cè)試，電路1 GHz頻率點(diǎn)的一般功率增益PG=7．122 dB，可用功率增益APG=6．88 dB，傳感器功率增益TPG=5．843 dB，電壓增益V．G．=11．876 dB／26．095 Deg，仿真結(jié)果表明，加入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)后，RF電路的增益有所提高，其中一般功率增益由4．513 dB增加到7．122 dB，基本能滿足單級(jí)RF LNA的射頻信號(hào)放大需求，其中功率增益仿真結(jié)果如圖6所示。

4 結(jié)論
    通過RF LNA的仿真設(shè)計(jì)實(shí)踐證明，Multisim射頻仿真的精確程度很高。射頻通信電路中前端小信號(hào)放大器的設(shè)計(jì)是整個(gè)電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，電路設(shè)計(jì)難度很大。由于信號(hào)頻率很高并且需要綜合考慮電路的各種性能指標(biāo)，往往要進(jìn)行反復(fù)調(diào)整測(cè)試，Multisim能充分適應(yīng)這一需求。隨著通信市場(chǎng)PDT需求的增加，射頻通信設(shè)備日益追求智能化、體積小、多功能和高運(yùn)算速度，射頻電路設(shè)計(jì)朝著CMOS射頻集成電路方向發(fā)展，并且有整個(gè)電路模塊集成化的趨勢(shì)，這也是目前人們研究的熱點(diǎn)。在射頻電路的設(shè)計(jì)中，選用合適的EDA工具是十分重要的，這可以極大地節(jié)省實(shí)驗(yàn)成本，縮短電子產(chǎn)品的研發(fā)周期，提高企業(yè)的效益和促進(jìn)電子技術(shù)發(fā)展。在射頻電路的教學(xué)和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)中，選用合適的EDA工具同樣重要，Multisim RF模塊作為射頻電路的仿真和設(shè)計(jì)工具，能夠完全勝任教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和研發(fā)工作。