基于Multisim 10的射頻LNA仿真和設計

王立華

（滄州師范學院 物理與電子信息系，河北 滄州 061001）

近年來，隨著科技的發展，便攜式數據終端（PDT）逐漸走入人們的生活[1]，第 3代移動通信（3G）、全球定位系統（GPS）、無線局域網（WLAN）以及衛星微波等通信電子產品已走入人們的生活。這依賴于無線通信技術尤其是射頻（RF）和微波（WM）技術的發展，同時，也為射頻電路的仿真和設計提出了更高的要求。通常，人們以0.3 GHz到4～5 GHz（S帶）為射頻頻段，以4～8 GHz（C帶）或更高的頻段為微波頻段，射頻電路工作時會出現寄生效應，如電路的雜散電容、雜散電感、趨膚效應和電磁輻射等，其中的元器件只能作為分布式元器件來考慮[2]。射頻電路的設計要求低噪聲、高增益、高穩定性和輸入輸出阻抗匹配，設計時不僅要考慮射頻分立元器件或集成電路的選取，考慮射頻電路整體性能的協調，考慮高速印制電路板（PCB）的設計，還要依賴于設計者的個人經驗，依賴于用計算機射頻仿真工具進行仿真和實際儀器測量和驗證。

對于RF電路的設計而言，計算機電子設計自動化（EDA）工具是必不可少的。由于RF元器件的仿真模型設計比較困難，RF電路的計算機仿真還不太精準，所以，選取一款優秀的RF電路仿真工具對于RF電路的設計是十分必要的。目前用的比較多的RF仿真設計工具是Agilent公司的ADS，ADS雖然功能強大，但因操作復雜初學者不易掌握[3]。研究發現NI公司的Multisim射頻仿真功能也十分強大，Multisim是最常用的綜合性電路仿真工具，從早期的EWB5.0到Multisim 11，能夠仿真的電路類型越來越多。Multisim支持電路編輯，虛擬儀器測量，操作簡單方便，在教學、實驗和研發中具有不可替代的作用。Multisim的RF電路仿真模塊包含100多個RF元器件，利用Spice語言描述RF元器件特性，并且支持自定義RF Spice模型[1]。RF虛擬儀器有頻譜分析儀和網絡分析儀，可以對RF雙端口電路進行仿真分析和設計。網絡分析儀可以測量雙端口網絡的各種特性參數，支持Smith圓圖測量S參數和Z參數，可以自動進行阻抗匹配網絡設計。下面以分立元件RF前端低噪聲放大器（LNA）的仿真和設計為例，使用Multisim 10中的網絡分析儀，以Smith圓圖為輔助工具，探討RF電路的仿真和設計方法。

1 理論分析和RF LNA電路的建立

RF LNA屬于典型的雙端口網絡，需要用網絡分析儀進行測量，Multisim中的虛擬網絡分析儀是效仿現實網絡分析儀HP8751A的一種虛擬儀表，功能十分全面，可以測量RF雙端口電路的S參數、H參數、Y參數、Z參數和穩定因子，可以測量電路的功率增益、電壓增益和輸入輸出阻抗，可以進行阻抗匹配網絡分析，支持多種圖表顯示格式。在仿真測量中以Smith圓圖為輔助分析設計工具，可以在Smith圓圖中顯示電路的S參數、Z參數和穩定性圓圖。設電路的歸一化輸入阻抗為 z，反射系數為Γ，z和 Γ都是復數，z=r+jx，Γ=Γr+jΓi，經過變換可以得到兩組圓的方程，這就是Smith阻抗圓圖[4]。如果在Smith圓圖中測出電路的S參數，則可以計算出RF電路的增益、駐波比SWR、輸入輸出端反射系數、輸入輸出端回波損耗等，也可由網絡分析儀很方便的測量有關參數[5]。

對于RF LNA電路的設計，要求低噪聲、高增益和高穩定性，噪聲干擾主要是指熱噪聲和散彈噪聲，可以通過選取合適的RF元器件解決，高增益主要由多級電路解決[6]。本電路選取低噪聲RF晶體管MRF947為核心信號放大元器件，單級共射放大器結構，信號源中心頻率為1 GHz，阻抗為50Ω，負載阻抗為50Ω，要求電路有一定的增益和穩定性，經計算得到其中的偏置電阻網絡，選用實際電阻R2=261 kΩ，R3=2.1 kΩ，使放大電路有合適的靜態工作點。在Multisim 10中創建以上電路，接入網絡分析儀，如圖1所示。

圖1 RF LNA電路Fig.1 RF LNA circuit

2 RF LNA電路的仿真過程

在Multisim10中連接好以上電路，網絡分析儀P1接電路輸入端，P2接電路輸出端，按下Run按鈕運行仿真，運行一段時間后可以再次按下Run按鈕停止仿真。當進行仿真時，網絡分析儀以一種特定的激勵信號作用于被測電路的輸入輸出端，接收電路的響應信號并進行仿真運算。其中包含兩次交流分析過程，第1次交流分析用來測量輸入端的參數S11、S21，第2次交流分析用來測量輸出端的參數S22、S12，S參數確定后進行運算得到其他參數，如功率增益、電壓增益、輸入輸出阻抗等均可由S參數運算得出。在網絡分析儀中可以查看各種仿真數據，并可以將這些數據用于進一步的仿真分析[7]。

仿真完成后，雙擊網絡分析儀圖標，打開網絡分析儀面板，可以看到各種參數隨信號頻率的變化曲線，在面板上面顯示各種參數數值，頻率掃描范圍為1 MHz～10 GHz，拖動下面的頻率調整滑塊到1 GHz，可以測量這個頻率點的各種參數數值。在面板右側Mode區域按下Measurement（檢測模式）按鈕，測量電路的S參數、H參數、Y參數、Z參數和穩定因子，可以設置不同的圖形顯示方式，可以設置不同的數值顯示方式，單擊Auto Scale按鈕，可以自動調整刻度。通過仿真得到本電路Smith圓圖S參數曲線和穩定因子曲線，1 GHz頻率點的穩定因子 δ=0.099（δ＜1），K=6.823（K＞1），說明電路在此頻率點無條件穩定，Smith圓圖S參數曲線如圖2所示。

圖2 S參數曲線Fig.2 S parameters curve

在面板右側Mode區域按下RF Characterizer（射頻特性分析模式）按鈕，可以測量電路的 Power Gains（功率增益）、Gains（電壓增益）和Impendence（輸入輸出阻抗）。經仿真測試，本電路1 GHz頻率點的一般功率增益PG=4.513 dB，可用功率增益APG=3.864 dB，傳感器功率增益TPG=3.718 dB，電壓增益V.G.=7.508 dB/114.552 Deg，輸入阻抗Zin=23.347/－21.461 Deg，輸出阻抗 Zout=38.676/－14.746 Deg。 其中功率增益曲線如圖3所示。

圖3 功率增益曲線Fig.3 Power gains curve

在RF LNA電路的設計中，要求信號源阻抗為50Ω，電路負載阻抗為50Ω，電路增益為十幾分貝，從上面的仿真結果分析，電路增益不能滿足要求，為了提高增益，可以采用多級放大電路，但是對于上面的單級放大電路來講，由于電路的輸入阻抗和信號源阻抗不匹配，輸出阻抗和負載阻抗不匹配，導致射頻電路不能傳遞最大功率增益，為此，需要改進電路結構，在輸入輸出端加入阻抗匹配網絡，以使單級放大電路獲得較高的增益，Multisim射頻仿真中有專門的設計阻抗匹配網絡的功能。

3 輸入輸出阻抗匹配網絡的設計和后仿真

仿真停止后，在面板右側Mode區域按下Match Net.Designer（匹配網絡分析模式）按鈕，即可以進行阻抗匹配網絡設計。單擊Stability Circles標簽，把頻率調到1 GHz，可以查看輸入輸出穩定性Smith圓圖，分析電路的穩定性，其中Stability項顯示Unconditionally Stable，說明電路無條件穩定。在電路穩定的基礎上進一步設計阻抗匹配網絡，單擊Impedance Matching標簽，可以在圖上選擇不同的匹配電路結構，本電路選擇電感電容網絡，在右下角選中Auto.Match，即可以自動計算出匹配元件的大小，如圖4所示。

圖4 阻抗匹配Fig.4 Impedance match

在原電路輸入輸出端加入圖4中設計出來的阻抗匹配網絡，其中的元件用數值最接近的實際元件代替，得到完整的單級RF LNA電路，如圖5所示。

圖5 加入阻抗匹配網絡的RF LNA電路Fig.5 RF LNA circuit of join impedance match network

對上面設計完成的RF LNA電路重新進行射頻特性仿真測試，電路1 GHz頻率點的一般功率增益PG=7.122 dB，可用功率增益APG=6.88 dB，傳感器功率增益TPG=5.843 dB，電壓增益V.G.=11.876 dB/26.095 Deg，仿真結果表明，加入阻抗匹配網絡后，RF電路的增益有所提高，其中一般功率增益由4.513 dB增加到7.122 dB，基本能滿足單級RF LNA的射頻信號放大需求，其中功率增益仿真結果如圖6所示[8]。

4 結 論

圖6 加入匹配網絡后的功率增益Fig.6 Power gains join match network

通過RF LNA的仿真設計實踐證明，Multisim射頻仿真的精確程度很高。射頻通信電路中前端小信號放大器的設計是整個電路設計的關鍵，電路設計難度很大。由于信號頻率很高并且需要綜合考慮電路的各種性能指標，往往要進行反復調整測試，Multisim能充分適應這一需求。隨著通信市場PDT需求的增加，射頻通信設備日益追求智能化、體積小、多功能和高運算速度，射頻電路設計朝著CMOS射頻集成電路方向發展，并且有整個電路模塊集成化的趨勢，這也是目前人們研究的熱點。在射頻電路的設計中，選用合適的EDA工具是十分重要的，這可以極大地節省實驗成本，縮短電子產品的研發周期，提高企業的效益和促進電子技術發展。在射頻電路的教學和創新型實驗中，選用合適的EDA工具同樣重要，Multisim RF模塊作為射頻電路的仿真和設計工具，能夠完全勝任教學、實驗和研發工作。

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