基于ADS仿真的宽带低噪声放大器设计

2011-07-26 18:26:14来源: 《应用科技》
1  引言

  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。当今低噪声放大器主要采用单片微波集成电路(MMIC)技术,将所有有源器件(如双极性晶体管或场效应晶体管)和无源器件(如电阻器、电感器、电容器和传输线等)全部集成在一块半导体晶片上,以实现低噪声放大功能,具有尺寸小、重量轻、成本低及可靠性高的特点。

  本文介绍了一种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及器件的稳定状态,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。设计中采用微波仿真软件ADS对电路进行CAD辅助设计并给出了仿真结果。

  仿真结果表明,放大器各性能参数满足设计指标。

2 低噪声放大器电路设计与仿真

  2.1 放大器主要技术指标

  本文设计的低噪声放大器主要技术指标:工作频率2.7~3.1GHz,噪声系数(NF)小于0.8dB,带内增益G>30dB,带内平坦度小于±1dB,输入输出驻波比(VSWR)小于1.6dB,1dB增益压缩点输入功率P1dB≥-15dBm。

  2.2 器件的选择和设计方案

  考虑到增益和噪声系数要求较高,所以选用PHEMTGaAsFET低噪声放大管。另外,在进行电路设计前,首先要建立放大器件的小信号模型。为了设计简便,一般选择具有现成模型的放大器件。由于安捷伦公司为其产品提供了精确的ADS模型,因此采用安捷伦公司的一种增强型E-PHEMT管ATF541M4,该管工作频率为0.45~10GHz,具有线性度好、噪声系数低的特点,而且工作时不需要负的极电压,便于单电源供电,在Vds=3V,Ids=60mA的偏置条件下,3GHz时最小噪声系数约为0.5dB,增益为17.5dB,1dB压缩点输出功率21.4dBm,为了得到30dB的增益,采用两级级联放大结构,将两个晶体管集成在同一基片上,输入输出端口之间通过微带线匹配到50Ω。

  2.3 偏置电路的设计

  根据ATF541M4管的数据手册,在Vds=3V,Ids=60mA的偏置条件下,Vgs=0.58V,因此可以采用单极性无源偏置网络,在管子的漏极和栅极加偏置,源极为直流接地状态,采用常用的电阻自偏压结构为晶体管提供相应的直流电压和电流,偏置电路如图1所示。

  在供电电压为5V的条件下,经过计算R1为290Ω,R2为1195Ω,R3为286Ω,电路中的C1、C2、C3为旁路电容,C4为隔直电容,L1和L2为高频扼流电感。为了进一步得到精确的偏置电阻值,可以对偏置电路进行直流仿真,根据源极和漏级电压值对电阻进行微调,以满足偏置条件。

  2.4 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,射频放大器绝对稳定的充分必要条件是:

  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_face(s)和stab_meas(s)直接对器件进行稳定性分析,只有在工作频段内两个稳定性判别系数都大于1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2所示。由图可知,两个稳定性系数在2.7~3.1GHz频率范围内都大于1,所以器件绝对稳定。

  2.5 放大器带宽的拓展

  在宽带低噪声放大器设计中,为了保证放大器增益的线性度和带宽,一般选用平衡放大或负反馈电路结构。前者使用器件较多,电路复杂,而负反馈电路结构简单,一般是在晶体管的输入和输出端口之间串联一个电阻和一个电容,除了可以得到平坦的增益特性,而且可在宽频带内降低输入输出驻波比,降低晶体管参数的离散性对放大器特性的影响。

  本设计采用负反馈电路形式,在晶体管的栅极和漏极间引入负反馈。由于加入负反馈电路使得放大器增益有所下降,同时增加一定的噪声系数,所以只将负反馈电路加在第二级放大器中。

  2.6 匹配电路设计

  对于工作在S频段的放大器,输入输出匹配电路通常采用分布参数元件,这种类型的匹配网络由几段串联或并联的微带线组成。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,因为输入端采用最小噪声匹配,首先对器件进行ADS噪声仿真得到各频率的噪声系数以及对应的最佳噪声源反射系数,应用ADS中单枝节匹配工具对输入端口进行快速匹配,其电路如图3所示。图中各段微带线的特性阻抗都为50Ω,以减小匹配电路的复杂程度。在确定第一级放大器输入匹配电路后,可以得到对应输出阻抗,级间匹配电路按照最大增益原则进行设计,同时要兼顾第一级的输入驻波比以及整个电路的噪声系数,所以采用T型结构,输出匹配电路主要用于提高增益,改善增益平坦度以及输出驻波比。在初步确定各匹配电路后,使用优化工具对整体电路优化仿真,为了减小输入驻波比,一般要对输入匹配电路进行微调,同时严格控制噪声系数,确保各项指标满足要求。

  2.7 低噪声放大器拓扑电路

  本设计采用Rogers公司的TMM10i型基板,介电常数εr=9.6,基片厚度H=0.635mm,导体厚度T=0.01mm,金属电导率Cond=5.88e+7。根据前面所述的放大器设计方法,将两级晶体管级联,得到低噪声放大器的电路拓扑图,如图4所示。

3 仿真结果与分析

  通过S参数及谐波平衡仿真得到低噪声放大器的各项参数,功率增益如图5所示。图中表明,放大器在工作频段内增益大于30dB,并具有良好的增益平坦性能,增益平坦度小于1dB。

  放大器的输入输出驻波比与噪声系数如图6所 由图6可知,输入输出驻波都低于1.6dB,特别是输出驻波比小于1.2dB,主要是因为输出匹配电路按最大增益设计,有效地降低了输出端反射系数。放大器输出端口噪声系数在整个频带内低于0.6dB,噪声匹配良好。

  放大器的增益线性特性如图7所示,其中,1dB压缩点输入功率为-10dBm,输出功率为20dBm,具有良好的线性度。

4 结语

  本文讨论了一种增强型E-PHEMT管的宽带低噪声放大器设计,介绍了设计的具体流程和方法,并充分利用ADS仿真软件的各项功能对低噪声放大器进行优化设计,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CAD设计具有很大的现实意义。

关键字:低噪声放大器(LNA)  ADS仿真  宽频带  阻抗匹配

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/afdz/2011/0726/article_3906.html
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