基于ADS的S波段小型化低噪聲放大器電路仿真與分析

黃 丹，陳國通，唐葉婷

（河北科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，石家莊 050000）

基于ADS的S波段小型化低噪聲放大器電路仿真與分析

黃 丹，陳國通，唐葉婷

（河北科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，石家莊 050000）

本設(shè)計使用了高電子遷移率晶體管（PHEMT）作為放大電路的核心，設(shè)計一個2487MHz-2496MHz波段低噪聲放大器（LNA），電路采用三級級聯(lián)放大的結(jié)構(gòu)形式。為實現(xiàn)小型化，輸入匹配采用不對稱微帶十字型結(jié)匹配方法，相對于傳統(tǒng)的T型、π型匹配網(wǎng)絡(luò)，體積更小。還介紹了利用ADS（Advanced Design System）進行LNA電路仿真的基本步驟，最后設(shè)計了LNA指標。

ADS；LNA；噪聲系數(shù)；阻抗匹配；增益

1 引言

ADS適用于射頻、微波和信號完整性應(yīng)用，能夠借助集成平臺中的無線庫及電路系統(tǒng)和電磁協(xié)同仿真功能，提供基于標準的全面設(shè)計及驗證。用戶可以使用系統(tǒng)提供的仿真工具構(gòu)建電路，修改元器件參數(shù)，實現(xiàn)對具體電路的仿真設(shè)計。它是檢驗電路設(shè)計的一種有效手段[1]。

低噪聲放大器的主要作用是，放大天線從空中接收的微弱信號，降低噪聲干擾，使接收到的信號能被后級電路有效地接收和處理[2]。LNA在微波通信、衛(wèi)星地面接收、衛(wèi)星遙感、雷達、GPS接收機等系統(tǒng)中都有著重要的應(yīng)用，小型化、低噪聲、高增益、寬動態(tài)范圍、穩(wěn)定可靠的LNA成為重要的研究方向，LNA設(shè)計核心是對輸入匹配網(wǎng)絡(luò)進行“最佳

2 ADS進行LNA仿真的一般步驟

ADS進行LNA仿真的一般步驟包括：晶體管器件的選擇和級數(shù)的確定、直流偏置電路設(shè)計、穩(wěn)定性判定、輸入輸出阻抗的確定、匹配電路設(shè)計、S參數(shù)仿真分析和處理仿真結(jié)果。

2.1 晶體管器件的選擇和級數(shù)的確定

考慮到系統(tǒng)的增益和噪聲系數(shù)等指標要求，第一級采用PHEMT工藝晶體管ATF34143設(shè)計，在2GHz附近，噪聲系數(shù)為0.5dB，增益為16dB左右。由于單級增益比較小，后兩級采用某公司的GaAs型放大單片HMC286，在2GHz附近，增益為19dB左右，并且HMC286匹配簡單。特別適用于小型化和高性能系統(tǒng)需求中。最后根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的方案（如圖1所示），利用ADS軟件進行輔助設(shè)計。

圖1 三級級聯(lián)放大電路框圖

2.2 直流偏置電路設(shè)計

偏置電路的作用是在特定的工作條件下為放大器等有源器件提供合適的靜態(tài)工作點，考慮到低電壓、低功耗，由ATF34143的數(shù)據(jù)手冊可知，選取ATF34143在2V，20mA的靜態(tài)工作點，采用自給偏壓式放大電路（如圖2所示），再根據(jù)計算機射頻軟件APPCAD計算圖2中源極電阻和漏極電阻的阻值，此時完成直流偏置電路的設(shè)計，如圖3所示。

圖2 N溝道結(jié)型場效應(yīng)管自給偏壓式放大電路

圖3 直流偏置電路原理圖

2.3 穩(wěn)定性判定

為使放大器穩(wěn)定正常工作，避免產(chǎn)生自激震蕩，在這一條件下討論放大器的性能指標才有意義。放大器的設(shè)計必須在其給定的直流偏置和工作頻段內(nèi)保持穩(wěn)定，因此，提出在源極添加負反饋微帶線的方法，改善電路的穩(wěn)定性。另外還有一些改善穩(wěn)定性的方法，例如在晶體管柵極添加一個有耗元件（比如電阻），但此時會惡化系統(tǒng)的噪聲，使增益和噪聲性能大幅度變差，所以采用源極添加負反饋微帶線的方法，其中微帶線的長度可由ADS優(yōu)化。最終優(yōu)化結(jié)果如圖4所示。

圖4 ATF34143穩(wěn)定性判定結(jié)果

2.4 輸入輸出阻抗的確定

在完成以上步驟前提下，開始進行輸入輸出阻抗的確定，利用ADS的設(shè)計向?qū)耂-Parameter Simulations，得出ATF34143在穩(wěn)定性前提下，最佳增益和最佳噪聲系數(shù)下的源阻抗匹配及負載阻抗匹配條件。

2.5 匹配電路設(shè)計

匹配網(wǎng)絡(luò)在電路中兩個不同阻抗之間引入，匹配網(wǎng)絡(luò)的實質(zhì)是實現(xiàn)阻抗變換，即將給定的阻抗值變化成更適合的阻抗值[1]。在設(shè)計低噪聲放大器的匹配電路時，輸入匹配網(wǎng)絡(luò)一般為獲得最小噪聲而設(shè)計，利用不對稱微帶十字型結(jié)進行阻抗匹配[3]，相對于傳統(tǒng)的T型、π型匹配網(wǎng)絡(luò)，體積更小，而輸出匹配網(wǎng)絡(luò)一般是為獲得最大功率和低電壓駐波比（VSWR）而設(shè)計，采用T型匹配網(wǎng)絡(luò)。本文主要是利用史密斯圓圖設(shè)計低噪聲放大器，這樣大大簡化了設(shè)計的復(fù)雜性。

在ADS中設(shè)計匹配電路的時候，選取靠近中心頻率點附近頻率2.5GHz進行匹配設(shè)計。我們分別對ATF34143和HMC286兩個晶體管進行匹配電路的設(shè)計，輸入端按照最佳噪聲系數(shù)下的源阻抗匹配設(shè)計，輸出端按照最大增益匹配。為避免級間直流信號相互影響，因此需要加入級間電容，最終設(shè)計電路如圖5所示。

圖5 三級級聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu)圖

2.6 S參數(shù)仿真分析和處理仿真結(jié)果

利用ADS中的調(diào)諧工具進行調(diào)諧匹配電路的參數(shù)，可通過優(yōu)化控件對其進行優(yōu)化，使噪聲系數(shù)和增益及其輸入輸出駐波都能夠達到比較好的結(jié)果。若優(yōu)化結(jié)果達不到要求，一般需要重設(shè)置參數(shù)的優(yōu)化范圍、優(yōu)化目標或考慮改變電路的拓撲結(jié)構(gòu)，然后重新進行仿真優(yōu)化。在仿真中要考慮到實際電路加工中微帶線的精度，一般要求微帶線線寬不小于0.1mm，最后通過反復(fù)的仿真優(yōu)化，由圖6可知，得到的放大電路的增益在39dB范圍內(nèi)，噪聲小于1.5dB，輸入輸出駐波小于1.5dB。

圖6 S參數(shù)仿真結(jié)果

3 結(jié)束語

本文使用ADS進行電路仿真可以對我們設(shè)計的電路方案進行驗證，實現(xiàn)電路的最優(yōu)化，提高設(shè)計效率。對于LNA的穩(wěn)定性、駐波比、噪聲系數(shù)和增益的指標要求進行了仿真與優(yōu)化，同時考慮晶體管參數(shù)和偏置網(wǎng)絡(luò)對低噪聲放大器的影響，最終綜合優(yōu)化輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，達到了預(yù)期的設(shè)計指標要求。

[1] 黃玉蘭.ADS射頻電路設(shè)計基礎(chǔ)與典型應(yīng)用[M]．北京：人民郵電出版社，2010

[2] 陳邦媛．射頻通信電路[M]．北京：高等教育出版社，2003

[3] 牛朝，李迎松，王琦，楊曉冬．基于ADS仿真的寬頻帶低噪聲放大器設(shè)計[J]．應(yīng)用科技，2009(1)

Analysis and Design of the S Band Mini Low Noise Amplifier based on ADS

Huang Dan, Chen Guotong, Tang Yeting
(School of Information Science and Engineering, Hebei University
of Science and Technology, Shijiazhuang, 050000)

The design uses a high-electron-mobility transistor (PHEMT) as the amplifier circuit core, design a 2487MHz-2496MHz band Low Noise Amplifier (LNA), The circuit structura is three-stage cascadel form. The input matching by using the asymmetry crisscross knot of microstrip for the miniaturization design, which has smaller size compared to conventional T-type,π-type matching network. The basic steps of ADS LNA circuit simulation was introduced.

ADS; LNA; noise factor; impedance matching; gain

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2015.07.006

TN7

B

1672-7274（2015）07-0023-03

黃丹，女，1988年生，河北科技大學(xué)碩士研究生在讀，研究方向為數(shù)字交換與傳輸。噪聲匹配”，即從最小噪聲系數(shù)的角度出發(fā)來設(shè)計輸入匹配網(wǎng)絡(luò)。對于輸入匹配網(wǎng)絡(luò)采用不對稱微帶十字型結(jié)匹配方法，相對于傳統(tǒng)的T型、π型匹配網(wǎng)絡(luò)，體積更小，并對輸出匹配網(wǎng)絡(luò)進行最大增益設(shè)計，以滿足系統(tǒng)各項參數(shù)的要求。