X波段低噪聲放大器的研究和設(shè)計(jì)

王俐聰

（上海無(wú)線電設(shè)備研究所，上海200090）

0 引言

在射頻接收機(jī)的設(shè)計(jì)中，為了獲得較好的接收靈敏度，往往在接收機(jī)的前端放置一個(gè)低噪聲放大器，其主要功能就是對(duì)前端接收的微弱信號(hào)進(jìn)行低噪聲放大［1］。在低噪聲放大器的設(shè)計(jì)中，通常要綜合考慮其穩(wěn)定性、功率放大功能、噪聲系數(shù)和功率匹配等性能因素，以前的設(shè)計(jì)需要大量的理論計(jì)算和Smith圓圖分析，給工作帶來(lái)較大困難。射頻仿真軟件Advanced Design System（ADS）的推出簡(jiǎn)化了這一過(guò)程，它是Agilent公司在HPEESOF系列EDA軟件基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一款比較完善的綜合設(shè)計(jì)軟件，內(nèi)含很多具有小信號(hào)放大器設(shè)計(jì)功能的控件，可以完成大量的設(shè)計(jì)計(jì)算和Smith圓圖分析［3］。下面將詳細(xì)介紹基于射頻仿真軟件ADS進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真低噪聲放大器的具體方法和具體步驟。

1 低噪聲放大器的設(shè)計(jì)理論

在本文中，低噪聲放大器的設(shè)計(jì)理論采用輸入端最小化噪聲匹配設(shè)計(jì)和輸出端共軛匹配設(shè)計(jì)。圖1是低噪聲放大器的電路原理框圖，圖中Γs為源反射系數(shù)，ΓL為負(fù)載反射系數(shù)，不同的Γs和ΓL將影響放大器的穩(wěn)定性、噪聲系數(shù)、增益、駐波等參數(shù)。設(shè)計(jì)放大器的過(guò)程就是根據(jù)放大器的S參數(shù)，以及噪聲系數(shù)、增益、駐波等的要求來(lái)確定Γs和ΓL，再根據(jù)Γs和ΓL分別設(shè)計(jì)輸入端和輸出端的匹配網(wǎng)絡(luò)。

圖1 低噪聲放大器的電路原理框圖

1．1 輸入端匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

低噪聲放大器最關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)是噪聲系數(shù)NF，其與源反射系數(shù)Γs的關(guān)系為

式中：NFmin和Rn分別是晶體管的最小噪聲系數(shù)和等噪聲電阻；Γopt為最佳源反射系數(shù)。當(dāng)Γs＝Γopt時(shí)，可以獲得最低噪聲系數(shù)NFmin。低噪聲放大器的輸入匹配電路都是按照噪聲最佳來(lái)設(shè)計(jì)的。

1．2 輸出端匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

上小節(jié)中最佳噪聲匹配設(shè)計(jì)是為了獲得較小的噪聲系數(shù)，為保證低噪聲放大器較高的功率增益和較好的輸出電壓駐波比，在輸出端通常采用輸出共扼匹配［2］。

輸出共軛匹配電路是在輸入端匹配的基礎(chǔ)上，重新計(jì)算晶體管（此刻是等效的晶體管，包含輸入的匹配電路）的輸入、輸出阻抗，將輸出阻抗匹配到特性阻抗為Zo＝50 Ohm，而后，整體優(yōu)化輸入、輸出阻抗，即可達(dá)到最大功率傳輸，需要考慮的是協(xié)調(diào)噪聲系數(shù)和最大功率的平衡取值，以達(dá)到所有設(shè)計(jì)參數(shù)之間的平衡。

在輸入、輸出匹配電路確定后，整體優(yōu)化時(shí)，低噪聲放大器與其它器件的連接，即放大器的輸入、輸出駐波系數(shù)要接近1，在接收機(jī)使用時(shí)，接收機(jī)的功率才能得到最大的傳輸。

2 低噪聲放大器的軟件設(shè)計(jì)和仿真優(yōu)化

2．1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

低噪聲放大器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是電路的第一級(jí)，因?yàn)榈谝患?jí)的噪聲系數(shù)影響整個(gè)系統(tǒng)的接收靈敏度，假設(shè)系統(tǒng)是三級(jí)放大器，噪聲系數(shù)和增益分別為F1、F2、F3和G1、G2、G3，系統(tǒng)的噪聲系數(shù)為F，那么系統(tǒng)的噪聲系數(shù)F為

因此低噪聲放大器的第二級(jí)及后續(xù)電路的設(shè)計(jì)是為了獲得更高的增益，本文中采用兩級(jí)放大器，本論文的設(shè)計(jì)目標(biāo)如下：頻率：9 800 MHz～10 000 MHz；噪聲系數(shù)：≤1．3 dB；增益：≥25 dB；增益平坦度：≤1 dB；功率1 dB壓縮點(diǎn)：≥＋5 dBm；輸入駐波比：≤1．7；輸出駐波比：≤1．5。

2．2 低噪聲放大器的ADS設(shè)計(jì)

2．2．1 建立模型

首先要選擇微波材料，文中選取的材料是Rogers公司的R03006，介電常數(shù)εr為6．15，板厚0．64 mm。文中選用的器件是 NE－32584C，在ADS中建立低噪放模型的依據(jù)是器件的s2p文件，如表1和表2所示。

依據(jù)以上兩個(gè)s2p文件可獲得晶體管放大器的Γin和Γout，Γin是輸入阻抗，Γout是輸出阻抗，如圖2所示，Γin和Γout是低噪聲放大器的設(shè)計(jì)依據(jù)。

2．2．2 確定工作點(diǎn)和設(shè)計(jì)直流偏置電路

根據(jù)芯片在各直流工作點(diǎn)條件下的性能選擇合適的直流工作點(diǎn)。本文選擇的直流工作點(diǎn)：

Vds＝＋2V，Ids＝＋10 m A，Vgs＝－1 V，表1和表2中的參數(shù)就是在該直流工作點(diǎn)下的測(cè)試數(shù)據(jù)。

表1 器件NE32584C的s2p文件－S參數(shù)

表2 器件晶體管NE32584C的s2p文件－NF參數(shù)

低噪聲放大器的直流偏置電路的設(shè)計(jì)是為了保證上面選擇的靜態(tài)工作點(diǎn)，并且保證在晶體管參數(shù)和溫度變化的范圍內(nèi)，仍保持靜態(tài)工作點(diǎn)的恒定，在軟件中設(shè)計(jì)了該放大器的偏置電路及其仿真效果圖，如圖3所示。

圖2 晶體管放大器的輸入阻抗Γin和輸出阻抗Γout

圖3（a）是晶體管放大器的雙極偏置電路，圖3（b）是偏置電路的仿真圖，S31表示信號(hào)在主通道的傳輸參數(shù)，滿足S31≥－0．2 dB；S21表示信號(hào)在偏置電路通道的傳輸參數(shù)，滿足S21≤－20 dB，可見(jiàn)偏置電路的設(shè)計(jì)符合要求。

2．2．3 穩(wěn)定性判斷及設(shè)計(jì)

圖3 低噪聲放大器的雙極偏置電路及其仿真圖

在低噪聲放大器的匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)之前，要先進(jìn)行穩(wěn)定性設(shè)計(jì)，確保芯片的穩(wěn)定性。首先應(yīng)用ADS軟件及芯片的s2p文件分析其穩(wěn)定性，建立仿真環(huán)境，依據(jù)控件Mu和Mu＿Prime來(lái)判斷電路的穩(wěn)定性，電路絕對(duì)穩(wěn)定的充要條件是負(fù)載穩(wěn)定系數(shù) Mu＞1和源穩(wěn)定系數(shù) Mu＿Prime＞1［4］，晶體管的初始穩(wěn)定系數(shù)仿真結(jié)果如圖4（a）所示，從圖上可以看出，在增加電路穩(wěn)定設(shè)計(jì)之前，晶體管NEC32584C的穩(wěn)定系數(shù)（也就是K）＜1，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，同樣反映在晶體管的s2p文件中的輸入反射參數(shù)S（1，1）和輸出反射系數(shù)S（2，2），這兩個(gè)參數(shù)反映的是輸入和輸出的匹配狀態(tài)不好，反射較大。通常采用的改善穩(wěn)定性的措施有兩種：一種是串聯(lián)阻抗負(fù)反饋，另一種是放大器輸出端增加穩(wěn)定衰減器［5］。本文采取的是前一種，圖4（b）是增加電路穩(wěn)定性設(shè)計(jì)后的穩(wěn)定性仿真結(jié)果。在圖4（b）可以看出，在9 800 MHz～10 000 MHz的范圍內(nèi)輸入、輸出及電路整體穩(wěn)定性系數(shù)都大于或等于1，電路在設(shè)計(jì)頻帶內(nèi)是穩(wěn)定的。

2．2．4 匹配電路設(shè)計(jì)

（1）輸入端匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

圖4 晶體管的初始穩(wěn)定性分析和增加電路穩(wěn)定性設(shè)計(jì)后的穩(wěn)定性改善分析

在低噪聲放大器的設(shè)計(jì)中，端口的匹配設(shè)計(jì)顯得尤為重要，因?yàn)樗暮脡闹苯佑绊懙絃NA的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，如噪聲系數(shù)、增益以及增益平坦度、輸入輸出駐波比等。低噪放的匹配設(shè)計(jì)用到的是Smith圓圖工具，首先，利用ADS軟件計(jì)算最佳源反射系數(shù)Γs＝Γopt，對(duì)應(yīng)的就是最佳源阻抗Zopt，如圖5所示。

圖5 源反射系數(shù)Γs＝Γopt時(shí)的最佳源阻抗Z opt

根據(jù)圖5中的最佳源阻抗Zopt，利用Smith圓圖工具設(shè)計(jì)輸入匹配網(wǎng)絡(luò)如圖6所示。

圖6 輸入匹配網(wǎng)絡(luò)以及輸入匹配情況下的增益和噪聲系數(shù)

（2）輸出端匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

在輸入匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，根據(jù)最佳源反射系數(shù)Γopt和放大器的S參數(shù)，按照最大增益匹配來(lái)確定負(fù)載反射系數(shù)ΓL如圖5。利用Smith圓圖工具設(shè)計(jì)輸出匹配電路如圖7所示［6］。

比較圖6和圖7中的增益曲線和噪聲系數(shù)可以看出，輸入端匹配電路的設(shè)計(jì)保證了系統(tǒng)的最小噪聲系數(shù)，輸出端匹配電路的設(shè)計(jì)保證了系統(tǒng)的增益最大化。

2．2．5 仿真和電路整體優(yōu)化

在以上幾節(jié)中，分別設(shè)計(jì)了直流偏置電路、輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，但是輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的加入會(huì)改變場(chǎng)效應(yīng)管的S參數(shù)，從而惡化某些指標(biāo)。為了滿足所有的設(shè)計(jì)目標(biāo)，有必要進(jìn)行全局的電路優(yōu)化。首先選取優(yōu)化變量，設(shè)置變量的變化范圍，然后根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)設(shè)置仿真目標(biāo)，優(yōu)化仿真變量，得到達(dá)到預(yù)設(shè)目標(biāo)的最佳電路設(shè)計(jì)參數(shù)。優(yōu)化后的仿真結(jié)果如圖8所示。

圖7 輸出匹配網(wǎng)絡(luò)以及輸出匹配情況下的增益和噪聲系數(shù)

圖8 整體優(yōu)化后的仿真結(jié)果

整體優(yōu)化后，圖5中各參數(shù)的仿真圖如圖9所示。

圖9 整體優(yōu)化后的最佳源阻抗、負(fù)載阻抗

3 制版、測(cè)試和調(diào)試

根據(jù)圖8的優(yōu)化結(jié)果確定電路，用軟件AutoCAD2004畫低噪放的版圖，如圖10所示。

圖10 低噪聲放大器的版圖

設(shè)計(jì)中的低噪聲放大器的測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。比較表3的測(cè)試數(shù)據(jù)和2．1小節(jié)中的設(shè)計(jì)目標(biāo)，該設(shè)計(jì)完全滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于射頻仿真軟件ADS，利用NE32584C低噪聲場(chǎng)效應(yīng)管設(shè)計(jì)了一款低噪聲放大器。電路采用兩級(jí)結(jié)構(gòu)，利用Smith圓圖工具完成了輸入端、輸出端及其級(jí)間的匹配設(shè)計(jì)，實(shí)測(cè)結(jié)果表明，研制出的低噪聲放大器完全滿足設(shè)計(jì)要求，可應(yīng)用在今后的接收機(jī)中。本文中采用的一些理念為今后的研究提供了一套設(shè)計(jì)思路，具有一定的實(shí)際參考價(jià)值。

表3 低噪聲放大器的測(cè)試數(shù)據(jù)

［1］ 劉長(zhǎng)軍，黃卡瑪，閆麗萍．射頻通信電路設(shè)計(jì)［M］．北京：科學(xué)出版社，2007．

［2］ 張小兵．基于 ATF54143的LNA設(shè)計(jì)［J］．現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30（20）：165－167．

［3］ 鄭磊．微波寬帶低噪聲放大器的設(shè)計(jì)［D］．成都：電子科技大學(xué)，2006．

［4］ Dale D Henkes．LNA Design Uses Series Feedback to Achieve Simultaneous Low Input VSWR and Low Noise［J］．Applied Microwave ＆ Wireless，1998，10（8）：26－32．

［5］ Murphy M T．Applying the Series Feedback Technique to LNA Design［J］． Microwave Journal，1989，32（11）：143－152．

［6］ Narhi T．Smith Charts Speed Design of Feedback amps［J］．Microwave ＆RF，1984，23（11）：99－106．