基于ADS的接收機(jī)低噪聲放大器優(yōu)化設(shè)計(jì)與驗(yàn)證*

殷 璐

（解放軍91404部隊(duì)，河北 秦皇島 066001）

0 引 言

低噪聲放大器（LNA）是通信接收機(jī)前端的主要部件。接收機(jī)的靈敏度由其噪聲系數(shù)（NF）決定，而多級(jí)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)又主要由位于第一級(jí)的低噪聲放大器決定，這就要求低噪聲放大器的噪聲系數(shù)越小越好。同時(shí)，為了放大微弱信號(hào)和抑制后面各級(jí)的噪聲影響，還要求低噪聲放大器具有一定的增益。因此，噪聲和增益指標(biāo)都很重要。但是，在低噪聲放大器設(shè)計(jì)過(guò)程中，最小噪聲系數(shù)和最大增益匹配不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)，需要進(jìn)行權(quán)衡優(yōu)化。所以，低噪聲放大器的設(shè)計(jì)優(yōu)化對(duì)提高接收機(jī)靈敏度水平起著關(guān)鍵性作用。

本文的設(shè)計(jì)采用NPN型低噪聲射頻晶體管，其相對(duì)于FET晶體管，具有高增益、低噪聲優(yōu)勢(shì)。通過(guò)在輸出端口增加并聯(lián)阻抗的方式，提高了放大器的穩(wěn)定性，同時(shí)綜合考慮噪聲系數(shù)和阻抗匹配，優(yōu)化了輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)。ADS軟件的仿真結(jié)果驗(yàn)證了，本設(shè)計(jì)較好地兼顧了噪聲系數(shù)、增益和穩(wěn)定性的要求。

1 低噪聲放大器設(shè)計(jì)的主要考慮因素

1.1 噪聲系數(shù)

有噪系統(tǒng)的噪聲性能可用噪聲系數(shù)的大小來(lái)衡量。噪聲系數(shù)定義為放大器輸入端信噪比與輸出端信噪比的比值。在通信接收機(jī)中，射頻信號(hào)要經(jīng)過(guò)低噪聲放大器、濾波器、混頻器和中頻放大器等模塊的傳輸。每個(gè)模塊都有固有噪聲，都對(duì)接收機(jī)整體的信噪比有影響。對(duì)于這種多級(jí)線性網(wǎng)絡(luò)的級(jí)聯(lián)，其噪聲系數(shù)[1]為：

其中FT為多級(jí)線性網(wǎng)絡(luò)的整體噪聲系數(shù)，F(xiàn)1、F2、F3分別為第1、第2、第3級(jí)網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)，G1、G2分別為第1、第2級(jí)的增益。由此可見(jiàn)，當(dāng)?shù)谝患?jí)增益G1足夠大時(shí)，后續(xù)各級(jí)噪聲得到抑制，系統(tǒng)整體的噪聲系數(shù)接近于第一級(jí)的噪聲系數(shù)。

作為第一級(jí)的低噪聲放大器，其噪聲系數(shù)可表示為[2]：

其中YS=GS+jBS為放大器源端的實(shí)際導(dǎo)納，Yopt=Gopt+jBopt為使噪聲系數(shù)達(dá)到最小值（Fmin）的最佳源導(dǎo)納，RN為放大器的等效噪聲電阻。式（2）表明，放大器的噪聲系數(shù)與源端導(dǎo)納有關(guān)，而與負(fù)載導(dǎo)納無(wú)關(guān)。導(dǎo)納與反射系數(shù)的關(guān)系為：

式中Z0為參考阻抗，ΓS為放大器的源反射系數(shù)。將式（3）代入式（2）并進(jìn)行變換，可得到Smith圓圖上一個(gè)關(guān)于ΓS的圓方程。圓心坐標(biāo)和圓半徑、固定的噪聲系數(shù)有關(guān)。噪聲系數(shù)最小時(shí)，圓半徑等于0，圓心為與最小噪聲系數(shù)對(duì)應(yīng)的源反射系數(shù)，同時(shí)也是Smith圓圖上導(dǎo)納為Yopt的點(diǎn)。低噪聲設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是要使放大器源端的實(shí)際導(dǎo)納達(dá)到或盡量接近該點(diǎn)。

1.2 功率增益

根據(jù)放大器的輸入輸出阻抗匹配情況，放大器的功率增益有三種定義[2]，分別為工作功率增GP（Operating Power Gain）、轉(zhuǎn)換功率增益GT（Transducer Power Gain）和資用功率增益GA（Available Power Gain）。其中，工作功率增益為輸入、輸出阻抗值任意時(shí)，負(fù)載的實(shí)際功率與輸入功率之比；轉(zhuǎn)換功率增益為負(fù)載功率與資用功率（輸入端達(dá)到阻抗匹配時(shí)的輸入功率）之比；資用功率增益為放大器輸出端達(dá)到阻抗匹配時(shí)的負(fù)載功率與資用功率之比。

圖1 放大器二端口網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在如圖1所示的放大器二端口網(wǎng)絡(luò)中，放大器的射頻特征用散射參數(shù)（S參數(shù)）表征，ΓS、ΓIN、ΓOUT、ΓL分別為源、輸入端、輸出端和負(fù)載的反射系數(shù)。三種定義的功率增益的最大值是一致的，但在放大器設(shè)計(jì)的應(yīng)用場(chǎng)合有所不同。對(duì)于固定增益的放大器設(shè)計(jì)，主要有以下兩種方法：

（1）單向化設(shè)計(jì)法：當(dāng)放大器的反饋效應(yīng)很小可以忽略，即散射參數(shù)S12≈0時(shí)，可采用單向化設(shè)計(jì)方法，基于轉(zhuǎn)換功率增益推導(dǎo)出單向化最大功率增益、Smith圓圖上關(guān)于ΓS的輸入等增益圓和關(guān)于ΓL的輸出等增益圓。這兩個(gè)等增益圓的圓心坐標(biāo)和圓半徑與需要達(dá)到的功率增益有關(guān)。單向化設(shè)計(jì)時(shí)，放大器的輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)即ΓS、ΓL是各自獨(dú)立的?？梢愿鶕?jù)需要達(dá)到的功率增益指標(biāo)，獨(dú)立確定所需的輸入、輸出等增益及ΓS、ΓL在各自等增益圓上的位置，從而確定輸入匹配網(wǎng)絡(luò)、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)。

（2）雙向化設(shè)計(jì)法：當(dāng)放大器的反饋效應(yīng)不能忽略時(shí)，放大器的輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)是互相影響的，ΓS、ΓL只要確定一個(gè)，另一個(gè)隨之確定。因此，采用雙向化設(shè)計(jì)法既可以通過(guò)工作功率增益推導(dǎo)出關(guān)于ΓL的等功率增益圓，也可以通過(guò)資用功率增益推導(dǎo)出關(guān)于ΓS的等資用功率增益圓，從而確定匹配網(wǎng)絡(luò)。

為便于與最小噪聲系數(shù)比較，本文選擇資用功率進(jìn)行雙向化設(shè)計(jì)。資用功率增益[2]可表示為：

式中：

對(duì)式（4）進(jìn)行變換，可得到一個(gè)關(guān)于源反射系數(shù)ΓS的圓方程，圓心坐標(biāo)和圓半徑與需要達(dá)到的功率增益有關(guān)。資用功率增益達(dá)到最大時(shí)，圓半徑等于0，圓心為與最大功率增益對(duì)應(yīng)的源反射系數(shù)。

1.3 穩(wěn)定性

由于反射波的存在，射頻放大器在某些工作頻率或負(fù)載條件下有產(chǎn)生異常震蕩的傾向。因此，在低噪聲放大器設(shè)計(jì)時(shí)，必須分析其穩(wěn)定性。穩(wěn)定性取決于晶體管S參數(shù)和輸入輸出的反射系數(shù)，而輸入輸出的阻抗與頻率有關(guān)，晶體管的S參數(shù)也與頻率及偏置條件有關(guān)。當(dāng)晶體管的工作頻率和偏置條件確定時(shí)，若滿足：

和Rollett穩(wěn)定性因子：

放大器絕對(duì)穩(wěn)定[3]。

當(dāng)放大器不是絕對(duì)穩(wěn)定時(shí)，可采取在輸入或輸出端口增加串聯(lián)或并聯(lián)電阻的方式，使其進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。由于晶體管輸入端增加電阻會(huì)增大放大器的噪聲系數(shù)，一般在輸出端增加電阻使放大器穩(wěn)定。

2 電路設(shè)計(jì)與仿真

本文的設(shè)計(jì)采用摩托羅拉公司出品的MMBR941晶體管。該型晶體管具有高增益、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，適用于低噪聲放大器的設(shè)計(jì)。

2.1 偏置電路設(shè)計(jì)

在低噪聲放大器設(shè)計(jì)前，首先要確定靜態(tài)工作點(diǎn)和偏置電路。靜態(tài)工作點(diǎn)的選擇直接關(guān)系到低噪聲放大器的性能。查閱MMBR941的數(shù)據(jù)手冊(cè)，可以全面分析該晶體管的傳輸特性。它在VCE=6.0V，IC=5.0 mA條件下，工作頻率1 GHz時(shí)，可以獲得1.5 dB的噪聲系數(shù)和14 dB的資用功率增益（典型值）；工作頻率2 GHz時(shí)，可以獲得2.1 dB的噪聲系數(shù)和8.5 dB的資用功率增益（典型值）。確定靜態(tài)工作點(diǎn)后，可使用ADS軟件的Design Guide工具進(jìn)行偏置電路的輔助設(shè)計(jì)[4]，具體電路實(shí)現(xiàn)見(jiàn)圖2。

圖2 偏置電路

2.2 增益和噪聲系數(shù)分析

本文利用等資用功率增益圓和等噪聲系數(shù)圓相結(jié)合的方法分析增益和噪聲。ADS軟件中可以分別使用Gacircle和Nscircle控件在Smith圓圖上繪制等資用功率增益圓和等噪聲系數(shù)圓。取工作頻率為1.8 GHz，對(duì)偏置電路進(jìn)行S參數(shù)仿真，結(jié)果如圖3所示。其中，虛線繪制的是等資用功率增益圓，m1為最大功率增益點(diǎn)，增益為11.509 dB；實(shí)線繪制的是等噪聲系數(shù)圓，m2為最小噪聲系數(shù)點(diǎn)，噪聲系數(shù)為2.577 dB。此外，圖中標(biāo)出了m1、m2兩點(diǎn)的阻抗值。由于最大功率增益和最小噪聲點(diǎn)不重合，設(shè)計(jì)需要綜合考慮功率增益和噪聲系數(shù)。

圖3 等增益圓和等噪聲系數(shù)圓

2.3 穩(wěn)定性分析與設(shè)計(jì)

ADS軟件中可以使用穩(wěn)定性測(cè)量控件StabFact，計(jì)算Rollett穩(wěn)定性因子。在電路原理圖中加入該控件對(duì)偏置電路進(jìn)行仿真，得到穩(wěn)定系數(shù)結(jié)果如圖4所示?？梢钥吹剑?～3 GHz的工作頻帶中，高于2.6 GHz的頻段穩(wěn)定性因子小于1，處于潛在的不穩(wěn)定狀態(tài)。為此，在放大器負(fù)載端并聯(lián)了一個(gè)200 Ω的電阻和一個(gè)1 nH的電感，以提高放大器的穩(wěn)定性。增加穩(wěn)定性措施后重新進(jìn)行仿真，穩(wěn)定性因子的最小值仍在3 GHz處，從0.97提到了1.405，確保了工作頻帶內(nèi)放大器的穩(wěn)定。

圖4 穩(wěn)定性因子曲線

2.4 匹配電路設(shè)計(jì)

為使放大器噪聲系數(shù)較小，本文首先按照最小噪聲系數(shù)點(diǎn)m1的阻抗值對(duì)輸入端網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行匹配。匹配電路由微帶線實(shí)現(xiàn)，具體參數(shù)為：基板厚度為0.8 mm，相對(duì)介電常數(shù)為4.3，相對(duì)磁導(dǎo)率為1，電導(dǎo)率為5.88E+7，導(dǎo)體層厚度為0.03 mm，損耗角正切為0.001。在ADS軟件中，選擇單支節(jié)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行匹配。通過(guò)Design Guide工具進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，輸入匹配電路見(jiàn)圖5。電路由1個(gè)T型結(jié)Tee1和2段微帶線TL1、TL2構(gòu)成，而計(jì)算得到的微帶線長(zhǎng)度已列在圖上。輸出匹配電路按照放大器輸出阻抗進(jìn)行匹配，設(shè)計(jì)方法與輸入匹配電路相同，不再贅述。電路由1個(gè)T型結(jié)Tee2和2段微帶線TL3、TL4構(gòu)成。

圖5 輸入匹配電路

對(duì)完整的電路進(jìn)行S參數(shù)仿真，1.8 GHz處參數(shù)S21（增益）為8.294 dB，參數(shù)S11、S22在工作頻帶內(nèi)的軌跡曲線見(jiàn)圖6，分別為實(shí)線和虛線?？梢钥吹剑?.8 GHz頻率上輸出端阻抗（m4點(diǎn)）基本匹配到Smith圓圖中心點(diǎn)，而輸入端由于按照最小噪聲設(shè)計(jì)匹配不夠良好。正因如此，放大器的噪聲系數(shù)達(dá)到了理論最小值2.734 dB，見(jiàn)圖7。其中，虛線為工作頻段內(nèi)最小噪聲系數(shù)曲線，實(shí)線為實(shí)際噪聲系數(shù)曲線，二者在m5點(diǎn)相切。

圖6 S11和S22曲線

圖7 噪聲系數(shù)對(duì)比

3 仿真優(yōu)化

上述設(shè)計(jì)中，輸入端由于按照最小噪聲設(shè)計(jì)導(dǎo)致匹配不夠良好，電路還具有進(jìn)一步提高增益的潛力。利用ADS軟件的優(yōu)化功能，在電路原理圖中增加Optim優(yōu)化控件和3個(gè)Goal目標(biāo)控件。優(yōu)化對(duì)象為T(mén)L1～TL4四段微帶線的長(zhǎng)度，3個(gè)優(yōu)化目標(biāo)分別為S11、S22和噪聲系數(shù)。最終設(shè)計(jì)的電路如圖8所示。

圖8 優(yōu)化電路

對(duì)圖8所示電路進(jìn)行S參數(shù)仿真，1.8 GHz處參數(shù)S21（增益）為8.359 dB，參數(shù)S11、S22在工作頻帶內(nèi)的軌跡曲線見(jiàn)圖9，兩軌跡交于m6點(diǎn)，即在1.8 GHz頻率上輸入、輸出端阻抗基本匹配到Smith圓圖中心點(diǎn)。放大器的噪聲系數(shù)為2.781 dB，略高于理論最小值2.734 dB，見(jiàn)圖10。

圖9 優(yōu)化后的S11和S22曲線

圖10 噪聲系數(shù)對(duì)比

4 結(jié) 語(yǔ)

本文分析了低噪聲放大器設(shè)計(jì)時(shí)需考慮的主要因素，提出了一種最小噪聲匹配和輸出阻抗匹配相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法。運(yùn)用該方法，在ADS軟件中設(shè)計(jì)了低噪聲放大器的偏置電路、穩(wěn)定性電路以及輸入、輸出匹配電路，并采用仿真優(yōu)化工具對(duì)匹配電路的參數(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化。仿真結(jié)果顯示，該設(shè)計(jì)能夠在工作頻率范圍內(nèi)得到較低的噪聲系數(shù)和較高的增益，可為實(shí)際工程應(yīng)用與實(shí)踐提供較好的借鑒作用。

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