【無線射頻仿真】-寬帶低噪聲放大器ADS仿真與設(shè)計(jì)

1/1寬帶低噪聲放大器ADS仿真與設(shè)計(jì)0引言低噪聲放大器(lownoiseamplifier，LNA)是射頻接收機(jī)前端的重要組成部分。它的主要作用是放大接收到的微弱信號，足夠高的增益克服后續(xù)各級(如混頻器)的噪聲，并盡可能少地降低附加噪聲的干擾。LNA一般通過傳輸線直接和天線或天線濾波器相連，由于處于接收機(jī)的最前端，其抑制噪聲的力量直接關(guān)系到整個(gè)接收系統(tǒng)的性能。因此LNA的指標(biāo)越來越嚴(yán)格，不僅要求有足夠小的低噪聲系數(shù)，還要求足夠高的功率增益，較寬的帶寬，在接收帶寬內(nèi)功率增益平坦度好。該設(shè)計(jì)利用微波設(shè)計(jì)領(lǐng)域的ADS軟件，結(jié)合低噪聲放大器設(shè)計(jì)理論，利用S參數(shù)設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)簡潔緊湊，性能指標(biāo)好的低噪聲放大器。

1設(shè)計(jì)指標(biāo)

下面提出所設(shè)計(jì)的寬帶低噪聲放大器需要考慮的指標(biāo)：

(1)工作頻帶：10～13GHz。工作頻帶僅是指功率增益滿意平坦度要求的頻帶范圍，而且還要在全頻帶內(nèi)使噪聲系數(shù)滿意要求。

(2)噪聲系數(shù)：FN1．8dB。FN表示輸入信噪比與輸出信噪比的比值，在抱負(fù)狀況下放大器不引入噪聲，輸入／輸出信噪比相等，F(xiàn)N=OdB。較低的FN可以通過輸入匹配到最佳噪聲匹配點(diǎn)和調(diào)整晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)獲得。由于是寬帶放大器，難以獲得較低的噪聲系數(shù)，這就打算了系統(tǒng)的噪聲系數(shù)會比較高。

(3)增益為25．4dB。LNA應(yīng)當(dāng)有足夠高的增益，這樣可以抑制后面各級對系統(tǒng)噪聲系數(shù)的影響，但其增益不宜太大；避開后面的混頻器產(chǎn)生非線性失真。

(4)增益平坦度為O．3dB。指工作頻帶內(nèi)增益的起伏，低噪放大器應(yīng)當(dāng)保持一個(gè)較為平坦的增益水平。由于是寬帶放大器，使得增益平坦度比較小，應(yīng)當(dāng)在高頻段匹配電路，使頻帶低端失配，從而改善放大器的增益平坦度。

(5)輸入／輸出匹配。為了滿意良好的噪聲性能，輸入端口通常失配。此時(shí)，增益將下降，端口駐波比性能變差。此外，由于微波晶體管自身增益大約是以每倍頻程下降6dB，為了獲得工作頻帶內(nèi)良好的增益平坦度，也要犧牲肯定的端口駐波性能。

(6)穩(wěn)定度。它是保證放大器正常工作的基本條件。當(dāng)放大器的輸入端和輸出端的反射系數(shù)模都小于1(即|Γ1|1，|Γ2|1)時(shí)，不論源阻抗和負(fù)載阻抗如何，網(wǎng)絡(luò)都是穩(wěn)定的，稱為肯定穩(wěn)定；反之，則稱為相對穩(wěn)定。對條件穩(wěn)定的放大器，其負(fù)載阻抗和源阻抗不能任意選擇，而是有肯定的范圍，否則放大器不能穩(wěn)定工作。

依據(jù)以上的論述，該設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是保證在較寬帶寬內(nèi)噪聲系數(shù)低和增益平坦。為保證上述設(shè)計(jì)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，采納了兩級級聯(lián)的設(shè)計(jì)方案：第一級依據(jù)噪聲最小設(shè)計(jì)輸入匹配電路獵取優(yōu)良噪聲系數(shù)；其次級依據(jù)功率最大準(zhǔn)則設(shè)計(jì)輸出匹配電路以獵取最大的放大增益。設(shè)計(jì)LNA一般選擇砷化鎵場效應(yīng)晶體管(GaAsFET)，其優(yōu)點(diǎn)是頻率高，噪聲低，開關(guān)速度快以及低溫性能好。本文即是選用NEC公司的砷化鎵異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管NE3210S01。

2設(shè)計(jì)方案

2．1穩(wěn)定性分析

放大器穩(wěn)定性的判定條件如下：

式中：△=S11S12-S12S21；K為穩(wěn)定因子。當(dāng)同時(shí)滿意上面3個(gè)條件時(shí)，放大器肯定穩(wěn)定。

依據(jù)NE3210S01的S參數(shù)模型，通過軟件仿真計(jì)算，該放大器在全頻帶內(nèi)并非肯定穩(wěn)定。在漏極串聯(lián)電阻能夠有效地改善穩(wěn)定性并且不會增加設(shè)計(jì)的簡單度。設(shè)計(jì)中在第一級放大器漏極串聯(lián)1個(gè)10Ω的電阻，使放大器在全頻帶內(nèi)保持肯定穩(wěn)定，而對增益的影響卻很小。高頻段放大管都存在內(nèi)部反饋，當(dāng)反饋量達(dá)到肯定強(qiáng)度時(shí)，將會引起放大器穩(wěn)定性變壞而導(dǎo)致自激。因此，必需保證放大器的肯定穩(wěn)定，若放大器不滿意肯定穩(wěn)定條件時(shí)，需要實(shí)行一些措施來改善放大器的穩(wěn)定性。主要方法有：源極串聯(lián)負(fù)反饋；漏極與柵極間并聯(lián)負(fù)反饋；漏極串聯(lián)電阻和漏極并聯(lián)電阻；插入鐵氧體隔離器。

2．2輸入匹配電路

微波器件的二端口網(wǎng)絡(luò)方框圖如圖1所示。其中，Γ1，Γ2分別為輸入和輸出反射系數(shù)；Γs，ΓL分別為信源和負(fù)載的反射系數(shù)。

圖1中輸入匹配電路設(shè)計(jì)主要考慮放大器的噪聲系數(shù)，根據(jù)放大器的噪聲系數(shù)可表示為：

式中：FNmin是最佳噪聲系數(shù)；Γs是信源反射系數(shù)，Γopt是最佳信源反射系數(shù)；RN是等效噪聲電阻。當(dāng)Γs=Γopt時(shí)可以得到最小的噪聲系數(shù)FNmin。但是是通過輸入端的失配達(dá)到電抗性器件之間噪聲相消，所以一般狀況下輸入駐波比比較大，也會降低放大器的增益，需要綜合考慮噪聲系數(shù)與輸入駐波比之間的取舍。

匹配電路的形式選擇微帶阻抗變換型匹配法，該匹配法在形式上相當(dāng)與若干條微帶線相互串聯(lián)而成。在匹配過程中，可以先用史密斯圓圖得到合適的LC型匹配電路，再通過ADS附帶的微帶線計(jì)算工具解出等效微帶線型的電路形式。該匹配方式的優(yōu)點(diǎn)在于高頻段可以大大削減尺寸，與分支線匹配相比電路尺寸會比較緊湊，并且適合構(gòu)造寬帶匹配?？梢赃m當(dāng)?shù)脑黾哟?lián)微帶線的數(shù)量，以保證在寬帶條件下達(dá)到比較好的增益平坦度。

2．3級間匹配電路

由于采納兩級級聯(lián)的設(shè)計(jì)方式，所以合理的級間匹配電路會對電路整體性能產(chǎn)生重要的影響。級間電路的目的是使后級微波管輸入阻抗與前級微波管輸出阻抗共軛匹配，以獲得最大增益，同時(shí)兼顧輸出平坦度的要求。級間電路共使用了4節(jié)微帶線，增加的尺寸參數(shù)改善了輸出平坦度。兩級之間需要加隔直電容，但是由于隔直電容很難在X波段保持良好的特性，電路中用λ／4耦合微帶線代替。取耦合線寬為0．2mm，耦合間隙為0．1mm，在很寬的頻帶內(nèi)隔直效果好且傳輸損耗小。

2．4輸出匹配電路

依據(jù)圖1所示，其次級二端口網(wǎng)絡(luò)的輸入匹配電路其實(shí)是級間匹配電路，依據(jù)功率增益最大準(zhǔn)則設(shè)計(jì)輸出匹配電路，采納共軛匹配方式，要求此時(shí)級間電路的輸出阻抗與后級微波管輸入阻抗共軛匹配，后級微波管輸出阻抗與輸出匹配電路的輸入阻抗共軛匹配。放大器具有最大功率增益和最佳的端口駐波比性能。當(dāng)信源和負(fù)載都為50Ω時(shí)，放大器的實(shí)際功率增益為：

2．5偏置電路設(shè)計(jì)

由于噪聲系數(shù)與晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)有親密的關(guān)系，所以必需選擇合適的偏置電路，才能讓放大器工作在最佳狀態(tài)下。該電路采納雙電源供電，所謂雙電源是指漏極正電壓和源級負(fù)電壓分別用正壓和負(fù)壓兩個(gè)電源供電。在初步的電路設(shè)計(jì)中，可以依據(jù)器件的S參數(shù)模型供應(yīng)的偏置條件，用串聯(lián)分壓電阻將放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置為VD=2V，IDS=10mA。饋電方式選擇λ／4高阻微帶線端接70°的扇形線，λ／4高阻微帶線以遏制溝通信號對直流電源的影響，扇形線對高頻短路，又相當(dāng)于電容，可以濾除電源噪聲，尤其適合寬頻帶的設(shè)計(jì)。當(dāng)在低頻段時(shí)，引入衰減，把增益的尖峰消退，改善增益平坦度。在以后的調(diào)整優(yōu)化過程中，可以適當(dāng)轉(zhuǎn)變分壓電阻，以追求更好的整機(jī)性能。

3仿真與優(yōu)化

首先要在ADS中定義介質(zhì)參數(shù)，本文選用Rogers4003介質(zhì)板，在進(jìn)行ADS仿真時(shí)需要設(shè)置介電常數(shù)εr=3．38和介質(zhì)板厚度h=0．5mm。

其次要建立晶體管芯的模型，模型的形式有兩種，一種是SP模型：屬于小信號線性模型，模型中已經(jīng)帶有了確定的直流工作點(diǎn)，和在肯定范圍內(nèi)的S參數(shù)，仿真時(shí)要留意適用范圍。該模型只能得到初步的結(jié)果，對于某些應(yīng)用來說已經(jīng)足夠，不能用來做大信號的仿真，或者直流饋電電路的設(shè)計(jì)，不能直接生成版圖。另一種是晶體管的SPice電路參數(shù)模型，一般由芯片公司供應(yīng)，可以在ADS中安裝NEC公司供應(yīng)的DesignKit，該工具包集成了NEC系列低噪聲放大器的FET，JBJT，HJ-FET，選擇FET中的NE3210S01。由于DesignKit中的元器件是已經(jīng)封裝好的晶體管，其仿真的結(jié)果要比使用S參數(shù)模型的晶體管模型要牢靠。許多時(shí)候，在對封裝模型進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)前，通過預(yù)先對SP模型進(jìn)行仿真，可以獲得電路的也許指標(biāo)。

考慮過孔寄生效應(yīng)，在高頻段對電路的仿真效果影響較大，所以晶體管源級與地之間加入接地過孔。在微帶線連接處用階梯變換接頭或T型接頭進(jìn)行連接，從而獲得更精確的仿真模型。在輸入和輸出的最前段，采納標(biāo)準(zhǔn)的50Ω傳輸線與λ／4耦合微帶線相連。

上述的仿真都是在f=12GHz單頻點(diǎn)內(nèi)仿真得到的微帶線的大致尺寸，為了能夠使得電路在3GHz的帶寬下依舊保持優(yōu)良的性能，就必需要對電路實(shí)施優(yōu)化。在優(yōu)化前可以先用調(diào)諧工具手動(dòng)調(diào)整各元件參數(shù)，觀看哪些參數(shù)對電路的性能比較敏感，在優(yōu)化時(shí)應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮調(diào)整。

常用的優(yōu)化方式分為隨機(jī)優(yōu)化(random)和梯度優(yōu)化(gradient)，隨機(jī)法通常用于大范圍搜尋，梯度法則用于局域收斂。優(yōu)化時(shí)可設(shè)定少量的可變參數(shù)，對放大器的各個(gè)指標(biāo)分步驟進(jìn)行優(yōu)化，先用100～200步的隨機(jī)法進(jìn)行優(yōu)化，后用20～30步的梯度法進(jìn)行優(yōu)化，一般可達(dá)最優(yōu)結(jié)果。

最終再整體仿真，看是否滿意到指標(biāo)要求。若優(yōu)化結(jié)果達(dá)不到要求，一般需要重設(shè)參數(shù)的優(yōu)化范圍、優(yōu)化目標(biāo)或考慮轉(zhuǎn)變電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，然后重新進(jìn)行仿真優(yōu)化。在仿真中要考慮到實(shí)際微帶線加工的精度和最小尺寸，根據(jù)加工精度，有些線條太細(xì)是不能實(shí)現(xiàn)的，另外追求小數(shù)點(diǎn)后面的多位精確也是無實(shí)際意義的。一般微帶線線寬不應(yīng)當(dāng)小于0．2mm，保留小數(shù)點(diǎn)后2位即可(單位：mm)。

經(jīng)過反復(fù)的優(yōu)化仿真，最終的參數(shù)滿意了所提出的設(shè)計(jì)指標(biāo)：在10～13GHz頻帶內(nèi)，噪聲系數(shù)：小于1．8dB，增益為25．4dB±0．3dB，輸出駐波小于1．