论文部分内容阅读
【摘要】设计了一个100-400MHz超宽带低噪声放大器。该放大器采用两级E-PHEMT晶体管（ATF54143）级联结构，每级都用独立电源供电。应用射频电路仿真软件ADS对匹配电路进行优化设计，最后通过原理图-版图联合仿真得到放大器的各项性能参数。在100-400MHz频带内，噪声系数（NF）小于0.3dB，带内增益大于32dB，带内增益平坦度±0.5dB以内，输入输出驻波比小于1.8。仿真结果表明，该设计完全满足性能指标要求。
【关键词】超宽带低噪声放大器ADS仿真噪声系数
低噪声放大器（LNA）是现代微波通信、雷达、电子战系统中的重要部件，它处于接收系统的前端，对天线接收到的微弱射频信号进行线性放大，同时抑制各种噪声干扰，提高系统灵敏度。由于LNA在接收系统中的特殊位置和作用，该部件的设计对整个接收系统的性能指标起着关键作用。本文介绍了一种超宽带低噪声放大器的设计方法。设计时首先根据性能指标要求选择合适的有源器件，确定相应的工作状态和偏置条件，使器件工作在绝对稳定状态，然后合理设计匹配电路和负反馈电路，最后对整体电路进行优化。设计中采用射频电路仿真软件ADS[1]对电路进行CAD辅助设计并给出了仿真结果。
一、低噪声放大器电路设计
1.1放大器的各项指标与设计方案
放大器需要满足的指标：工作频带100-400MHz，噪声系数（NF）小于0.3dB，带内增益大于32dB，带内增益平坦度±0.5dB以内，输入输出驻波比小于1.8。考虑到增益和噪声系数要求较高，采用E-PHEMT晶体管（ATF54143）[2]，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。
晶体管的功率增益在频率高端随着频率的增加以6 dB/倍频程下降，因此设计宽带放大器时必须使用相应的方法补偿此增益滚降，且保证整个频带内的稳定性，所以要考虑宽带阻抗匹配及选择恰当的电路形式。宽带放大器有以下几种：①分布放大器；②平衡放大器；③有耗匹配放大器；④负反馈放大器。通过比较，虽然负反馈放大器各个特性的改良是以略微增加噪声为代价的，但这种电路形式仍不失为所需频段内综合效果最优的方法，因此采用负反馈形式。
1.2偏置和负反馈电路
1.3稳定性分析
因为有源器件都存在内部反馈，反馈的大小取决于放大器的S参数、匹配网络以及偏置条件，当反馈量达到一定程度时，将会引起放大器输入或输出端口出现负阻，产生自激振荡，因此在做端口匹配前首先要判定放大器是否绝对稳定。
通常用K-Δ的方法来判定稳定性：
同时满足K>1和|Δ|<1时，放大电路处于绝对稳定。
如果根据晶体管数据手册中的S参数进行计算分析，则计算过程复杂，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，才能保证器件绝对稳定。通过仿真得到稳定性判定系数如图1（b）所示。由图可知，两个稳定性系数在100-400MHz频率范围满足要求，所以器件绝对稳定。
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[4]。32dB的增益，可以采用两级放大的形式且都用ATF54143。为了在整个频段内得到良好的匹配效果，一般先选定中心频率进行匹配电路设计，然后再对电路在整个频带内进行微调优化。第一级设计时，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50Ω，电容电感用50Ω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。在确定整体电路后，画出版图。在版图空白处添加大面积的通孔接地，一方面为了保证散热和接地效果良好，另一方面是为今后调试留下焊接空间。整体电路如图2（a）所示。
二、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。得到初步结果后，用较精确的muRata电容电感模型代替理想化模型，经过不断地优化和仿真，最终结果如图2（b）（c）（d）所示。可见，仿真结果的各项指标均达到预期要求。
三、结论
本文讨论了一种增强型E-PHEMT晶体管的超宽带低噪声放大器的设计，介绍了具体的流程与方法，应用射频电路仿真软件ADS强大的功能对放大器进行了优化设计，省去了复杂的理论分析计算，大大简化了设计过程，提高了工作效率，对低噪声放大器的制做具有很强的现实意义。
参考文献
[1]徐兴福. ADS2008射频电路设计与仿真实例.北京：电子工业出版社，2010
[2]张小兵.基于ATF54143的LNA设计.现代电子技术，2007，30（20）：165-167
[3]王子宇，张肇仪，徐承和.射频电路设计-理论与应用.北京：电子工业出版社，2003
[4]黄秋元，鄢凯. LNA匹配网络设计与仿真.武汉理工大学学报-信息与管理工程版，2002.27，5：144-147
【关键词】超宽带低噪声放大器ADS仿真噪声系数
低噪声放大器（LNA）是现代微波通信、雷达、电子战系统中的重要部件，它处于接收系统的前端，对天线接收到的微弱射频信号进行线性放大，同时抑制各种噪声干扰，提高系统灵敏度。由于LNA在接收系统中的特殊位置和作用，该部件的设计对整个接收系统的性能指标起着关键作用。本文介绍了一种超宽带低噪声放大器的设计方法。设计时首先根据性能指标要求选择合适的有源器件，确定相应的工作状态和偏置条件，使器件工作在绝对稳定状态，然后合理设计匹配电路和负反馈电路，最后对整体电路进行优化。设计中采用射频电路仿真软件ADS[1]对电路进行CAD辅助设计并给出了仿真结果。
一、低噪声放大器电路设计
1.1放大器的各项指标与设计方案
放大器需要满足的指标：工作频带100-400MHz，噪声系数（NF）小于0.3dB，带内增益大于32dB，带内增益平坦度±0.5dB以内，输入输出驻波比小于1.8。考虑到增益和噪声系数要求较高，采用E-PHEMT晶体管（ATF54143）[2]，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。
晶体管的功率增益在频率高端随着频率的增加以6 dB/倍频程下降，因此设计宽带放大器时必须使用相应的方法补偿此增益滚降，且保证整个频带内的稳定性，所以要考虑宽带阻抗匹配及选择恰当的电路形式。宽带放大器有以下几种：①分布放大器；②平衡放大器；③有耗匹配放大器；④负反馈放大器。通过比较，虽然负反馈放大器各个特性的改良是以略微增加噪声为代价的，但这种电路形式仍不失为所需频段内综合效果最优的方法，因此采用负反馈形式。
1.2偏置和负反馈电路
1.3稳定性分析
因为有源器件都存在内部反馈，反馈的大小取决于放大器的S参数、匹配网络以及偏置条件，当反馈量达到一定程度时，将会引起放大器输入或输出端口出现负阻，产生自激振荡，因此在做端口匹配前首先要判定放大器是否绝对稳定。
通常用K-Δ的方法来判定稳定性：
同时满足K>1和|Δ|<1时，放大电路处于绝对稳定。
如果根据晶体管数据手册中的S参数进行计算分析，则计算过程复杂，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，才能保证器件绝对稳定。通过仿真得到稳定性判定系数如图1（b）所示。由图可知，两个稳定性系数在100-400MHz频率范围满足要求，所以器件绝对稳定。
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[4]。32dB的增益，可以采用两级放大的形式且都用ATF54143。为了在整个频段内得到良好的匹配效果，一般先选定中心频率进行匹配电路设计，然后再对电路在整个频带内进行微调优化。第一级设计时，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50Ω，电容电感用50Ω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。在确定整体电路后，画出版图。在版图空白处添加大面积的通孔接地，一方面为了保证散热和接地效果良好，另一方面是为今后调试留下焊接空间。整体电路如图2（a）所示。
二、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。得到初步结果后，用较精确的muRata电容电感模型代替理想化模型，经过不断地优化和仿真，最终结果如图2（b）（c）（d）所示。可见，仿真结果的各项指标均达到预期要求。
三、结论
本文讨论了一种增强型E-PHEMT晶体管的超宽带低噪声放大器的设计，介绍了具体的流程与方法，应用射频电路仿真软件ADS强大的功能对放大器进行了优化设计，省去了复杂的理论分析计算，大大简化了设计过程，提高了工作效率，对低噪声放大器的制做具有很强的现实意义。
参考文献
[1]徐兴福. ADS2008射频电路设计与仿真实例.北京：电子工业出版社，2010
[2]张小兵.基于ATF54143的LNA设计.现代电子技术，2007，30（20）：165-167
[3]王子宇，张肇仪，徐承和.射频电路设计-理论与应用.北京：电子工业出版社，2003
[4]黄秋元，鄢凯. LNA匹配网络设计与仿真.武汉理工大学学报-信息与管理工程版，2002.27，5：144-147