基于ADS的S波段LNA的設計與實現

馬敏

（西南電子技術研究所 四川 成都610036）

基于ADS的S波段LNA的設計與實現

馬敏

（西南電子技術研究所 四川 成都610036）

針對放大鏈路輸入端對放大器高增益低噪聲的需求，文中根據放大器的設計方法，結合相關指標，基于ADS仿真軟件，設計完成了一款S波段的低噪聲放大器。設計采用Excilics公司的EPB018A5-70場效應管，采取級聯的設計方案，采用FR4繪制電路板，放大器的工作頻率為2.2～2.36 GHz，噪聲系數0.7 dB，增益32 dB。測試結果表明，所設計放大器的相關指標和電磁兼容性達到了給定要求。

LNA；ADS；微波電路；電磁兼容

LNA，即微波低噪聲放大器（Low-NoiseAmplifier），其位于放大鏈路前端，在設計的過程中需要在滿足給定的增益要求情況下，盡可能減小噪聲，使整個鏈路在輸出端可獲得最大可能的信噪比。LNA常用在無線電接收機的高頻或中頻前置的前置端第一級或者用在對靈敏度有高要求的電子探測設備的放大電路中。在這些應用場合中，需要放大的信號極其微弱，即使較小的內、外部噪聲也會對信號產生嚴重的干擾，這不僅對放大器自身的噪聲有較高的要求，對包含放大器的整個接收系統的電磁兼容性能也是十分重要的。在如今的微波通信領域、GPS接收機、遙感遙控、雷達等微波系統中，低噪聲放大器（LNA）均有著廣泛應用[1-5]。由放大器的設計理論可知，最大功率增益和最小噪聲系數通常無法兼得，LNA保證在有限的噪聲系數內可以獲得最大的增益，因此在低噪聲放大器的設計過程中，如何協調噪聲系數和增益之間的關系通常是需要考慮的首要問題。同時LNA設計合理亦能幫助接收系統在EMC測試中更易過關。匹配不良的LNA不僅增加接收機的基底噪聲，也會降低增加接收機線性度，影響系統電磁兼容性能，如會使電磁兼容項目CS103的測試結果數惡化等。

文中在仿真時采用ADS軟件，安捷倫ADS是Agilent公司開發的一款功能強大的射頻電路設計仿真工具，其可完成射頻電路的時域、頻域仿真，線性、非線性電路仿真，小到單獨的模擬電路器件，大到龐大的數/模混合系統、高速鏈路均可看到其的應用。在本文中將采用雙級場效應管設計放置在接收機最前端的低噪聲放大器，其將有良好的噪聲系數，合理的增益分布。希望為日后的研究和工作提供一定的幫助及經驗。

1 LNA的指標和設計

1.1 設計指標和器件選擇

根據所設計低噪聲放大器的主要指標為：工作頻率2.2～2.36 GHz；增益大于30 dB；帶內平坦度小于1dB；噪聲系數小于 1 dB；無條件穩定[6]；輸入、輸出駐波小于1.5。

本次仿真設計采用Excilics公司的EPB018A5-70場效應管，EPB018A5-70具有高動態范圍、低噪聲等特點，EPB018A5-70為表面貼片安裝器件。由于同時集成了高增益、高線性范圍和低噪聲的特點，使得EPB018A5-70在微波系統內廣泛使用。該晶體管的工作頻率為1～26 GHz，在該頻率典型偏置2 V，15 mA時噪聲系數可達0.37 dB，具有低噪聲的特性[2]。電路板選擇FR4覆銅板，厚度為1.0 mm，介電常數4.5。

1.2 直流偏置電路設計

根據EPB018A5-70的DataSheet，直流工作點為Vds=2 V，Ids=15 mA。在直流供電時采用雙電源供電，在偏置電路設計中選用電阻式無源偏置電路[4]，其電路結構如圖1所示。在該電路中，R2、R3對電源起分壓作用，為柵極提供偏壓；具體的設計步驟為：通過計算R2，R3的比值給定合適的VGS，R1中的電流隨著 R1的增大而減小，有 R1=（Vdd-Vds）/ID。

圖1 晶體管偏置電路

1.3 放大器的匹配

放大器原理如圖2所示，輸入、輸出匹配電路的作用是使微波管的輸入、輸出阻抗變換到標準系統阻抗Z0（50 Ω），以獲得阻抗匹配，這時放大器的增益最高。另一方面，由于當放大器噪聲最小時，并不處于最佳阻抗匹配狀態，而是有一定的失配，這就需要在設計中相互兼顧，在保證足夠夠增益的情況下，使噪聲盡量小[7-13]。

圖2 放大器原理框圖

多級放大器器噪聲系數公式為：

從上式可知，為了得到最小的噪聲系數，放大器的第一級要按最佳噪聲匹配。確切地說應該按最佳噪聲量度來匹配，因為放大器的前級增益必須保證一定的大小才能使后級的噪聲貢獻足夠小。

對于輸入端，我們采取在其輸入端串接一電感，使其在所需頻段中心與輸入電容形成串聯諧振，然后再利用四分之一波長阻抗變換器，就可方便地使之轉變到50 Ω純電阻，達到匹配的目的。

對于輸出端，采用了短截線匹配的方法。這種方法的特點是匹配帶寬不是太寬，但對于本設計中約7%的帶寬已是足夠的。這種方法首先在導納圓圖中找出對應輸出導納的共軛復數Y*=G+jB，然后利用傳輸線將此點向負載端轉到G=1的匹配圓上去，即Y*’=G+jB’。最后再利用適當長度的短截線來構成電抗分量jB’，以達到最終匹配的目的。即最后得到Y’’=1。

輸入、輸出匹配電路形式如圖4所示。

圖3 EPB018A5-70的反射系數圓圖

圖4 輸入、輸出匹配電路結構

1.4 放大器電路的ADS設計實現

利用ADS軟件設計兩級放大器的電路。在設計直流偏置電路后，在直流和交流通路間加入射頻扼流電路，即無源低通電路[14]，該電路僅允許直流偏置信號傳輸，用四分之一波長細微帶線實現。同時，直流信號到Term端口需要加入隔直電路，兩級間的直流信號也不能互相干擾，所以在Term和電路間及兩級之間均需加入片式陶瓷電容。在輸入和輸出端處加入“Term”端口，設置阻抗為 50 Ω，加入“StabFact”穩定系數計算控件，對電路進行穩定性分析。并對電路添加其它的控件，加入“MaxGain”最大增益控件，加入“S-PARMETERS”S參數仿真控件。

經仿真，發現在工作頻率上，穩定性系數＜1，于是，在兩級放大器的輸入、輸出端均加入圖4所示的微帶匹配電路，并將微帶線的長和寬設為變量。加入“VAR”控件，和“OPTIM”優化和“GOAL”目標控件，建立ADS電路仿真、優化測試臺，以要求的噪聲系數、駐波和穩定系數為目標進行電路參數優化。其中以噪聲系數的權重設為最大，優化過程中不斷調整，直到目標達到為止。最終優化的電路仿真結果如圖5所示。

最終電路達到了穩定，穩定性系數＞1，噪聲系數小于0.5 dB，增益為33.9 dB，輸入、輸出駐波也均滿足要求。

圖5 ADS電路仿真結果

2 LNA制作與測試

LNA采用FR4電路板[15]制作。設計時，為保證系統的電磁兼容性，防止由于串擾惡化系統噪聲，LNA的饋電輸入端去耦，并將LNA設計在單獨的屏蔽腔體內，其蓋板采用線接觸，保證其具有良好屏蔽性。制作完成后，對電路進行測試。測試時首先調試直流靜態工作點，接著調試輸入輸出匹配電路。調試中由于EPB018A5-70容易被靜電擊穿，需要佩戴防靜電手套。S參數采用Agilent矢量網絡分析儀測試，噪聲系數測量采用Agilent噪聲測試儀N8975A。在測量時使用其ENR標稱值為5 dB的噪聲源，保證測試更精準。測試結果整理后如圖6所示。

圖6 測試結果

由圖6（a）可以看出，放大器增益約32.8 dB左右，比仿真增益略小，帶內增益波動△G＜±0.3 dB，符合設計要求。實測放大器噪聲系數均小于0.7 dB。可見，此放大器的設計從總體上說來是成功的。使用本LNA的接收系統在電磁兼容的測試中也順利過關。

3 結束語

文中討論了微波低噪聲放大器的設計理論與實現方法，在低噪聲放大器的制作中經歷了：確定指標、設計方案、選擇器件、設計并仿真電路、PCB版圖繪制加工和測試樣件等過程。在微波低噪聲放大器的設計中需要根據給定的技術指標選擇合適的晶體管，在選擇的過程中需要對器件模型和特性進行分析；設計輸入輸出匹配網絡時，要對微波網絡進行分析與綜合；最終還要對放大器的整體性能進行優化，方可得到最佳的設計結果。

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Design and implementation of S band broadband LNA based on ADS

MA Min
（Southwest Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

With the development of modern amplifying link，in order to satisfy the requirement of High gain and low noise，a low noise amplifier based on ADS simulation software is designed by the author.This amplifier adopts the two-stage EPB018A5-70 produced by the Excilics Company.The operating frequency of the amplifier is 2.2～2.3 GHz，the noise figure is 0.7 dB，and the gain is 32 dB.As motioned above，related indicators have reached the given requirements.

LNA；ADS；microwave circuit；electromagnetic compatibility

TP311

：A

：1674－6236（2017）13-0058-04

2016-07-19稿件編號：201607139

馬 敏（1971—），女，四川眉山人，碩士，工程師。研究方向：電磁兼容測試與設計整改及微波技術。