100-400MHz超寬帶低噪聲放大器ADS仿真設計

【摘要】設計了一個100-400MHz超寬帶低噪聲放大器。該放大器采用兩級E-PHEMT晶體管（ATF54143）級聯結構，每級都用獨立電源供電。應用射頻電路仿真軟件ADS對匹配電路進行優化設計，最后通過原理圖-版圖聯合仿真得到放大器的各項性能參數。在100-400MHz頻帶內，噪聲系數（NF）小于0.3dB，帶內增益大于32dB，帶內增益平坦度±0.5dB以內，輸入輸出駐波比小于1.8。仿真結果表明，該設計完全滿足性能指標要求。

【關鍵詞】超寬帶低噪聲放大器ADS仿真噪聲系數

低噪聲放大器（LNA）是現代微波通信、雷達、電子戰系統中的重要部件，它處于接收系統的前端，對天線接收到的微弱射頻信號進行線性放大，同時抑制各種噪聲干擾，提高系統靈敏度。由于LNA在接收系統中的特殊位置和作用，該部件的設計對整個接收系統的性能指標起著關鍵作用。本文介紹了一種超寬帶低噪聲放大器的設計方法。設計時首先根據性能指標要求選擇合適的有源器件，確定相應的工作狀態和偏置條件，使器件工作在絕對穩定狀態，然后合理設計匹配電路和負反饋電路，最后對整體電路進行優化。設計中采用射頻電路仿真軟件ADS[1]對電路進行CAD輔助設計并給出了仿真結果。

一、低噪聲放大器電路設計

1.1放大器的各項指標與設計方案

放大器需要滿足的指標：工作頻帶100-400MHz，噪聲系數（NF）小于0.3dB，帶內增益大于32dB，帶內增益平坦度±0.5dB以內，輸入輸出駐波比小于1.8?？紤]到增益和噪聲系數要求較高，采用E-PHEMT晶體管（ATF54143）[2]，安捷倫公司提供了其精確的ADS模型，便于仿真，而且工作時不需要負的柵極電壓，便于單電源供電。

晶體管的功率增益在頻率高端隨著頻率的增加以6 dB/倍頻程下降，因此設計寬帶放大器時必須使用相應的方法補償此增益滾降，且保證整個頻帶內的穩定性，所以要考慮寬帶阻抗匹配及選擇恰當的電路形式。寬帶放大器有以下幾種：①分布放大器；②平衡放大器；③有耗匹配放大器；④負反饋放大器。通過比較，雖然負反饋放大器各個特性的改良是以略微增加噪聲為代價的，但這種電路形式仍不失為所需頻段內綜合效果最優的方法，因此采用負反饋形式。

1.2偏置和負反饋電路

1.3穩定性分析

因為有源器件都存在內部反饋，反饋的大小取決于放大器的S參數、匹配網絡以及偏置條件，當反饋量達到一定程度時，將會引起放大器輸入或輸出端口出現負阻，產生自激振蕩，因此在做端口匹配前首先要判定放大器是否絕對穩定。

通常用K-Δ的方法來判定穩定性：

同時滿足K>1和|Δ|<1時，放大電路處于絕對穩定。

如果根據晶體管數據手冊中的S參數進行計算分析，則計算過程復雜，可以使用ADS中的穩定性判定系數stab_fact（s）和stab_meas（s）直接對器件進行穩定性分析，只有在工作頻段內同時滿足stab_face（s）>1，stab_meas（s）>0時，才能保證器件絕對穩定。通過仿真得到穩定性判定系數如圖1（b）所示。由圖可知，兩個穩定性系數在100-400MHz頻率范圍滿足要求，所以器件絕對穩定。

1.4匹配電路與版圖設計

考慮到頻率較低和小的尺寸，采用集總參數的電容電感進行匹配電路設計[4]。32dB的增益，可以采用兩級放大的形式且都用ATF54143。為了在整個頻段內得到良好的匹配效果，一般先選定中心頻率進行匹配電路設計，然后再對電路在整個頻帶內進行微調優化。第一級設計時，如果按最小噪聲設計，輸入端不是共軛匹配，會造成輸入駐波比差，增益低，帶內增益平坦度也不好，所以應該在最小噪聲、駐波比和增益之間權衡進行輸入匹配設計。輸出按共軛匹配設計，同時加入一些電阻，增加穩定性，改善增益平坦度。輸入輸出都匹配到50Ω，電容電感用50Ω特征阻抗的微帶短線進行連接。第二級采用與第一級一樣的結構，直接與第一級級聯。在確定整體電路后，畫出版圖。在版圖空白處添加大面積的通孔接地，一方面為了保證散熱和接地效果良好，另一方面是為今后調試留下焊接空間。整體電路如圖2（a）所示。

二、電路優化與仿真結果

采用理想電容電感元件，先對第一級進行優化，當第一級的各項指標與預期目標接近后，第二級采用與第一級一樣的結構與其級聯，再對整體電路進行優化。在用ADS進行優化時，先放寬目標，進行隨機優化后，再進行梯度優化，然后收緊目標，直到達到預期結果。按最優的原理圖設計版圖，然后進行原理圖-版圖聯合仿真。原理圖-版圖聯合仿真把layout中的無源電路和原理圖中的元器件有機結合在一起進行仿真，既考慮了無源器件之間的電磁場效應，又可以考慮有源元件、集總元件的效應，這樣仿真結果和實測結果非常接近，可以縮短制版調試的輪回。得到初步結果后，用較精確的muRata電容電感模型代替理想化模型，經過不斷地優化和仿真，最終結果如圖2（b）（c）（d）所示。可見，仿真結果的各項指標均達到預期要求。

三、結論

本文討論了一種增強型E-PHEMT晶體管的超寬帶低噪聲放大器的設計，介紹了具體的流程與方法，應用射頻電路仿真軟件ADS強大的功能對放大器進行了優化設計，省去了復雜的理論分析計算，大大簡化了設計過程，提高了工作效率，對低噪聲放大器的制做具有很強的現實意義。

參考文獻

[1]徐興福. ADS2008射頻電路設計與仿真實例.北京：電子工業出版社，2010

[2]張小兵.基于ATF54143的LNA設計.現代電子技術，2007，30（20）：165-167

[3]王子宇，張肇儀，徐承和.射頻電路設計-理論與應用.北京：電子工業出版社，2003

[4]黃秋元，鄢凱. LNA匹配網絡設計與仿真.武漢理工大學學報-信息與管理工程版，2002.27，5：144-147