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摘 要 设计了一个1G-1.7 GHz宽带低噪声放大器。该放大器采用两级增强型场效应管（ATF54143）级联而成，每级都用独立电源供电。应用射频电路仿真软件ADS对输入输出匹配电路进行设计并优化，最后通过原理图-版图联合仿真（Cosimulation with layout）得到放大器的各项指标。在1G-1.7 GHz频带内，噪声系数（NF）小于0.5 dB，带内增益大于28 dB，带内增益平坦度±1 dB以内，S11和S22都小于-15 dB。仿真结果表明，该设计完全满足性能指标要求。
关键词 低噪声放大器；ADS仿真；噪声系数
中图分类号：TN722 文献标识码：A 文章编号：1671—7597（2013）021-068-02
在无线通信系统中，低噪声放大器是接收机前端的第一个单元电路，发挥着重要作用。接收机接收信号的灵敏度主要由低噪声放大器（LNA）的噪声系数（NF）与功率增益决定。LNA的噪声系数显著地影响着接收机的整体性能，另外，它的功率增益能明显抑制来自后级的噪声。对整个系统的线性度而言，低噪声放大器的非线性必须尽可能的小。
1 LNA电路设计
1.1 LNA的各项指标与设计思路
LNA需要达到的指标：工作频带1G-1.7 GHz，噪声系数（NF）小于0.5 dB，带内增益大于28 dB，带内增益平坦度±1 dB以内，S11和S22都小于-15 dB。考虑到增益和噪声系数要求较高，采用E-PHEMT晶体管（ATF54143），安捷伦公司提供了其精确的ADS模型，便于仿真，而且工作时不需要负的栅极电压，便于单电源供电。
1.2 偏置电路
根据增强型场效应管ATF54143的Datasheet，在漏极电压为3 V，漏极电流为60 mA的偏置下，栅极电压为0.56 V，因而这里选用单极性的无源偏置网络，偏置电路如图1（a）所示。
器件的栅极电压通过电阻R2和R3以分压的形式得到，分压器的电压取自漏极电压。R4为漏栅极的限压电阻。经过计算再考虑到实际的贴片电阻值，得到R2=270 Ω，R3=1200Ω，R4=33Ω。R1为10 KΩ，给栅极限流，C1、C4作为匹配网络的射频旁路电容，C2、C3分别为R1和R4提供了一个低频旁路电容，L1、L2为高频扼流电感。
在器件的源极串联一段短路微带线，形成源级的负反馈网络，以降低整个放大器电路对管子自身性能变化的敏感度，使放大器线性度提高的同时，几乎不会增大噪声，而且实际操作起来方便简单，成本又低，易于加工后的调试。
1.3 稳定性分析
低噪声放大器的稳定性也是其极为重要的一项性能指标。放大器只有工作在绝对稳定的状态才能够保证其他方面的性能，在进行低噪声放大器的设计时，除了要避开其不稳定区外还要注意潜在不稳定区。否则容易引起自激振荡，严重时有可能损坏与放大器相连接的其他元件。
通常用K-Δ的方法来判定稳定性：
如果用器件Datasheet中的S参数进行分析计算，则过程相当复杂，可以使用ADS中的稳定性判定系数stab_fact（s）和stab_meas（s）直接对器件进行稳定性分析，只有在工作频段内同时满足stab_face（s）>1，stab_meas（s）>0时，才能保证器件处于绝对稳定状态。稳定性判定系数的仿真结果如图1（b）所示。由图可知，在1G-1.7 GHz频率范围内两个稳定性系数同时满足要求，因而器件绝对稳定。
1.4 匹配电路与版图设计
考虑到频率较低和小的尺寸，采用集总参数的电容电感进行匹配电路设计。28 dB的增益，可以采用两级放大的形式且都用ATF54143。为了在1G-1.7 GHz频率范围内得到了很好的匹配效果，首先将频率定在中心频率1.35 GHz处设计输入输出匹配电路，之后再对整体的电路在全部的频带内进行优化以达到目标。进行第一级的设计时，如果按最小噪声设计，输入端不是共轭匹配，会造成输入驻波比差，增益低，带内增益平坦度也不好，所以应该在最小噪声、驻波比和增益之间权衡进行输入匹配设计。输出按共轭匹配设计，同时加入一些电阻，增加稳定性，改善增益平坦度。输入输出都匹配到50 Ω，电容电感用50 Ω特征阻抗的微带短线进行连接。第二级采用与第一级一样的结构，直接与第一级级联。整体电路确定后，画出最终的版图。接地孔的设计，一方面是为了满足电路的性能要求，另一方面也保证了良好的散热效果，同时在调试时也更加方便。整体版图如图2（a）所示。
2 电路优化与仿真结果
采用理想电容电感元件，先对第一级进行优化，当第一级的各项指标与预期目标接近后，第二级采用与第一级一样的结构与其级联，再对整体电路进行优化。在用ADS进行优化时，先放宽目标，进行随机优化后，再进行梯度优化，然后收紧目标，直到达到预期结果。按最优的原理图设计版图，然后进行原理图-版图联合仿真。原理图-版图联合仿真把layout中的无源电路和原理图中的元器件有机结合在一起进行仿真，既考虑了无源器件之间的电磁场效应，又可以考虑有源元件、集总元件的效应，这样仿真结果和实测结果非常接近，可以缩短制版调试的轮回。得到了理想预期结果后，然后用高性能的实际元件模型——村田公司的电容电感代替理想化的模型，进行数次优化仿真后，得到了最后的数据结果，如图2（b）（c）（d）所示。可见，最终仿真的数据均达到了预期的性能指标要求，表明电路设计的可行性。
3 结论
本文讨论了接收机前端的宽带低噪声放大器设计，介绍了用增强型场效应管（ATF54143）设计的基本过程与方式。设计过程中主要使用了高频电路设计软件ADS，对其进行设计仿真。应用ADS的优化功能对电路的具体参数进行优化，以达到目标，大大缩短了设计所用的时间，提高了开发效率，ADS对于高频电路的设计是一款十分出色的工具软件。
参考文献
[1]王西锋，张英浩，施欢冬，等.超宽带低噪声放大器仿真设计[J].雷达与对抗，2011，（02）.
[2]陈爱萍，赵明，文斌.一种L波段低噪声放大器的设计与仿真[J].计算机仿真，2011，（06）.
关键词 低噪声放大器；ADS仿真；噪声系数
中图分类号：TN722 文献标识码：A 文章编号：1671—7597（2013）021-068-02
在无线通信系统中，低噪声放大器是接收机前端的第一个单元电路，发挥着重要作用。接收机接收信号的灵敏度主要由低噪声放大器（LNA）的噪声系数（NF）与功率增益决定。LNA的噪声系数显著地影响着接收机的整体性能，另外，它的功率增益能明显抑制来自后级的噪声。对整个系统的线性度而言，低噪声放大器的非线性必须尽可能的小。
1 LNA电路设计
1.1 LNA的各项指标与设计思路
LNA需要达到的指标：工作频带1G-1.7 GHz，噪声系数（NF）小于0.5 dB，带内增益大于28 dB，带内增益平坦度±1 dB以内，S11和S22都小于-15 dB。考虑到增益和噪声系数要求较高，采用E-PHEMT晶体管（ATF54143），安捷伦公司提供了其精确的ADS模型，便于仿真，而且工作时不需要负的栅极电压，便于单电源供电。
1.2 偏置电路
根据增强型场效应管ATF54143的Datasheet，在漏极电压为3 V，漏极电流为60 mA的偏置下，栅极电压为0.56 V，因而这里选用单极性的无源偏置网络，偏置电路如图1（a）所示。
器件的栅极电压通过电阻R2和R3以分压的形式得到，分压器的电压取自漏极电压。R4为漏栅极的限压电阻。经过计算再考虑到实际的贴片电阻值，得到R2=270 Ω，R3=1200Ω，R4=33Ω。R1为10 KΩ，给栅极限流，C1、C4作为匹配网络的射频旁路电容，C2、C3分别为R1和R4提供了一个低频旁路电容，L1、L2为高频扼流电感。
在器件的源极串联一段短路微带线，形成源级的负反馈网络，以降低整个放大器电路对管子自身性能变化的敏感度，使放大器线性度提高的同时，几乎不会增大噪声，而且实际操作起来方便简单，成本又低，易于加工后的调试。
1.3 稳定性分析
低噪声放大器的稳定性也是其极为重要的一项性能指标。放大器只有工作在绝对稳定的状态才能够保证其他方面的性能，在进行低噪声放大器的设计时，除了要避开其不稳定区外还要注意潜在不稳定区。否则容易引起自激振荡，严重时有可能损坏与放大器相连接的其他元件。
通常用K-Δ的方法来判定稳定性：
如果用器件Datasheet中的S参数进行分析计算，则过程相当复杂，可以使用ADS中的稳定性判定系数stab_fact（s）和stab_meas（s）直接对器件进行稳定性分析，只有在工作频段内同时满足stab_face（s）>1，stab_meas（s）>0时，才能保证器件处于绝对稳定状态。稳定性判定系数的仿真结果如图1（b）所示。由图可知，在1G-1.7 GHz频率范围内两个稳定性系数同时满足要求，因而器件绝对稳定。
1.4 匹配电路与版图设计
考虑到频率较低和小的尺寸，采用集总参数的电容电感进行匹配电路设计。28 dB的增益，可以采用两级放大的形式且都用ATF54143。为了在1G-1.7 GHz频率范围内得到了很好的匹配效果，首先将频率定在中心频率1.35 GHz处设计输入输出匹配电路，之后再对整体的电路在全部的频带内进行优化以达到目标。进行第一级的设计时，如果按最小噪声设计，输入端不是共轭匹配，会造成输入驻波比差，增益低，带内增益平坦度也不好，所以应该在最小噪声、驻波比和增益之间权衡进行输入匹配设计。输出按共轭匹配设计，同时加入一些电阻，增加稳定性，改善增益平坦度。输入输出都匹配到50 Ω，电容电感用50 Ω特征阻抗的微带短线进行连接。第二级采用与第一级一样的结构，直接与第一级级联。整体电路确定后，画出最终的版图。接地孔的设计，一方面是为了满足电路的性能要求，另一方面也保证了良好的散热效果，同时在调试时也更加方便。整体版图如图2（a）所示。
2 电路优化与仿真结果
采用理想电容电感元件，先对第一级进行优化，当第一级的各项指标与预期目标接近后，第二级采用与第一级一样的结构与其级联，再对整体电路进行优化。在用ADS进行优化时，先放宽目标，进行随机优化后，再进行梯度优化，然后收紧目标，直到达到预期结果。按最优的原理图设计版图，然后进行原理图-版图联合仿真。原理图-版图联合仿真把layout中的无源电路和原理图中的元器件有机结合在一起进行仿真，既考虑了无源器件之间的电磁场效应，又可以考虑有源元件、集总元件的效应，这样仿真结果和实测结果非常接近，可以缩短制版调试的轮回。得到了理想预期结果后，然后用高性能的实际元件模型——村田公司的电容电感代替理想化的模型，进行数次优化仿真后，得到了最后的数据结果，如图2（b）（c）（d）所示。可见，最终仿真的数据均达到了预期的性能指标要求，表明电路设计的可行性。
3 结论
本文讨论了接收机前端的宽带低噪声放大器设计，介绍了用增强型场效应管（ATF54143）设计的基本过程与方式。设计过程中主要使用了高频电路设计软件ADS，对其进行设计仿真。应用ADS的优化功能对电路的具体参数进行优化，以达到目标，大大缩短了设计所用的时间，提高了开发效率，ADS对于高频电路的设计是一款十分出色的工具软件。
参考文献
[1]王西锋，张英浩，施欢冬，等.超宽带低噪声放大器仿真设计[J].雷达与对抗，2011，（02）.
[2]陈爱萍，赵明，文斌.一种L波段低噪声放大器的设计与仿真[J].计算机仿真，2011，（06）.