基于ＡＤＳ的Ｘ波段低噪聲放大器的設計與仿真

摘 要：主要介紹了低噪聲放大器的設計理論及用Agilent公司的ADS仿真軟件進行X波段低噪聲放大器的設計和仿真。在設計的過程中選擇了NEC公司的HEMT管NE3210S01，HEMT管與FET相比較，其噪聲系數更低，增益和工作頻率更高。進行阻抗匹配采用的拓撲結構是并聯導納式結構，即利用串聯微帶傳輸線進行導納變換，然后并聯一個微帶分支線，微帶線的終端開路(或短路)，用其輸入導納作為補償電納，以達到電路匹配。最后給出了仿真結果、版圖設計及實測結果。

關鍵詞：噪聲系數;S參數;低噪聲放大器;ADS;匹配網絡

中圖分類號：TN95文獻標識碼：B文章編號：1004373X(2008)1905103

Design and Simulation X-band Low Noise Amplifier with ADS

LIU Ximing1，2

(1.Shanghai Jiaotong University，Shanghai，200030，China;2.Radar and Avionics Institute of AVIC，Wuxi，214063，China)

Abstract：The theory of designing a LNA，X-band LNA with Agilent ADS are ineroduced.Selecting the HEMT NE3210S01 of NEC Company.Comparing with HEMT and FET，its noise figure is much lower，gain and working frequency are much higher.The topology structure of match network is parallel connection admittance structure，namely using stripline to make admittance transformation，then merge a stripline branch line，the terminal of the stripline is open circuit(or short circuit)，using input admittance as expiation of electricity admittance attains electric circuit.At last，offering the simulation results，the layout and the measured results.

Keywords：NF;S-parameter;low noise amplifier;ADS;match network

1 引 言

隨著雷達技術的迅猛發展及對雷達性能的要求越來越高，低噪聲微波放大器(LNA)已被廣泛應用于雷達系統中，并且成為了雷達接收系統中必不可少的重要電路。低噪聲放大器位于雷達接收系統的前端，其主要功能是將來自天線的微弱信號進行小信號放大。低噪聲放大器的噪聲系數的好壞直接影響了雷達接收系統的靈敏度。

LNA不僅僅被應用在雷達接收系統中，目前已被廣泛應用于通信、電子對抗以及遙控遙測系統接收設備中，研制出性能優良的微波低噪聲放大器對滿足市場需求具有重要意義。

本文采用了Agilent公司的Advanced Design System(ADS)軟件進行仿真設計。此軟件能夠提供各種微波射頻電路的仿真和優化設計。本文著重介紹如何使用ADS 進行低噪聲放大器的設計。

2 晶體管放大器的設計理論

一個晶體管可以用一個二端口網絡來表示。利用晶體管的散射參數(S參數)以及一定偏置條件下的噪聲參數，就可以開始進行晶體管放大器的設計了。圖1為微波放大器的原理框圖，放大器的輸入匹配網絡將信號源阻抗Z1(一般為50 Ω)變換到源阻抗，或者說變換到源反射系數ΓS。而放大器的輸出匹配網絡將阻抗Z2(一般也為50 Ω)變換到負載阻抗ZL，或者說，變換到負載反射系數ΓL。

3 X波段低噪聲放大器的設計

低噪聲放大器的設計與一般線性放大器設計的區別是：一般線性放大器為了獲得高增益，每級放大器都要求進行功率匹配；而低噪聲放大器的第一級必須進行最佳噪聲匹配，中間級跟末級進行功率匹配以獲得良好的噪聲系數和增益特性。

一般來說，一個低噪聲放大器可按如下步驟設計：

(1) 選擇，器件的噪聲系數應低于設計值，而增益(可以級聯)應高于設計值；

(2) 計算器件的穩定因子K；

(3) 如果K>1，則選擇和設計包括偏置電路在內的輸入和輸出匹配電路；

(4) 如果K<1，則在反射平面上給出不穩定區域，并選擇和設計能避開不穩定區域的匹配網路。

(5)利用分析的方法或計算機輔助設計手段來計算放大器的性能，檢驗放大器在帶內和帶外的穩定性。

低噪聲放大器的主要性能指標包括：噪聲系數、放大增益、工作帶寬、增益平坦度等，這些指標噪聲系數和增益對整個系統的影響較大。

噪聲系數的物理含義：信號通過放大器之后，由于放大器產生噪聲，使信噪比變壞，信噪比下降的倍數就是噪聲系數。噪聲系數的定義如下：

Nf=Sin/NinSout/Nout

噪聲系數用分貝數表示為：Nf(dB)=10lg Nf。

功率增益：微波放大器功率增益有多種定義，比如資用增益、實際增益、共軛增益等。對于實際的低噪聲放大器，功率增益通常是指信源和負載都是50 Ω標準阻抗情況下實測的增益。實際測量時，常用插入法，即用功率計先測信號源能給出的功率P1；再把放大器接到信源上，用同一功率計測放大器輸出功率P2，功率增益就是：G=P2/P1。

增益平坦度：就是指在工作頻帶內功率增益的起幅，常用最高增益與最小增益之差表示。

3.1 設計指標要求

頻率范圍：9～10 GHz;

增益：25±1.5 dB;

噪聲系數： < 1.10 dB(不加隔離器測試);

駐波比：<1.5(加隔離器測試)。

3.2 晶體管及微帶電路襯底的選擇

晶體管選擇NEC公司的HEMT管NE3210S01。生產廠家給出了晶體管在VDS=2V，ID=10 mA的條件下各頻率點的S參數以及噪聲參數。其中，在工作頻率為10 GHz時，NF為0.32 dB，增益為14.7 dB。根據廠家提供的資料可知，用NE3210S01來設計的低噪聲放大器是能夠滿足指標要求的，由于此LNA要求增益為25.5 dB±1 dB左右，所以準備用兩級來完成設計。前級主要用于噪聲匹配，后級主要用于功率匹配。

微帶電路的電解質材料選擇Rogers公司的RO4003。它的相對介電常數εr＝3.38±0.05，損耗角正切tan σ=0.002 7。

3.3 低噪聲放大器的設計與仿真

3.3.1 匹配網絡設計

由于采用的是兩個相同的晶體管，可以直接開始匹配電路的設計，否則還需要根據晶體管的噪聲估量來判斷哪一個晶體管置于第一級，以獲得較低的噪聲系數。兩級放大器的結構如圖2所示。

圖2 兩級放大器的設計框圖

3.3.2 匹配網絡的計算機仿真

在設計匹配網絡的時候，選擇合理的拓撲結構對于低噪聲放大器的設計至關重要。本文采用的拓撲結構是并聯導納式結構，即利用串聯微帶傳輸線進行導納變換，然后并聯一個微帶分支線，微帶線的終端開路(或短路)，用其輸入導納作為補償電納，以達到電路匹配。

設計完各部分的匹配電路之后，一般都需要用ADS進行優化。優化的時候一般可先采用 Random 優化，在達到比較好的效果時，再用Gradient 方法。為了達到比較理想的結果，可以反復修改優化的對象、方法和目標。

圖3~圖6是加上直流偏置電壓最后的仿真結果(帶隔離器仿真結果。隔離器指標：損耗：03 dB，駐波1：118 dB，駐波2：12 dB)。

圖3 輸入輸出駐波比仿真結果

圖4 穩定因子仿真結果

圖5 增益仿真結果

圖6 噪聲系數仿真結果

3.3.3 低噪聲放大器的版圖

仿真完成后要根據結果用Protel軟件繪制電路版圖，最后獲得的版圖如圖7所示。

圖7 本次設計的低噪聲放大器的版圖

4 測試結果

低噪聲放大器輸入端和輸出端沒有加隔離器時測得噪聲系數及增益如圖8所示。

圖8 未加隔離器測得噪聲系數及增益

低噪聲放大器輸入端和輸出端加隔離器時測得噪聲系數及增益如圖9所示。

低噪聲放大器輸入端和輸出端加隔離器時測得S11及S22如圖10所示。

圖9 加隔離器測得噪聲系數及增益

圖10 輸入輸出駐波比

5 結 語

從以上仿真的結果可以看出，利用ADS的模型和強大的仿真環境，給設計帶來了極大的方便。ADS軟件包含了很多的元器件庫和原理圖模型，是個很好的電路設計的仿真工具。利用ADS電路仿真可以在設計中預先對電路進行優化，減小實際電路制造中的風險。

參考文獻

［1］陳邦媛.射頻通信電路［M］.北京:科學出版社，2003.

［2］弋穩.雷達接收機技術［M］.北京:電子工業出版社，2005.

［3］Reinhold Ludwing.射頻電路設計——理論與應用［M］.王子宇，譯.北京:電子工業出版社，2002.

［4］李芹，王志功.X波段寬帶單片低噪聲放大器［J］.固體電子學研究與進展，2005，25(2):211-214.

［5］Gyillermo Gonzalez.微波晶體管放大器分析與設計［M］ .2版.白曉東，譯.北京:清華大學出版社，2003.

［6］向宏平，杜惠平.CDMA射頻前端低噪聲放大器電路設計和研究［J］.微電子學，2004，34(4):432-434.

［7］王勤.X波段低噪聲放大器的設計［J］.低溫與超導，2005，33 (2):77-79.

［8］K.C.格普塔.微波電路的計算機輔助設計［M］.馮忠華，溫俊鼎，譯.北京:科學出版社，1986.

［9］韓潔，王向東.測量低噪聲放大器的噪聲系數［J］.國外電子測量技術，2005(2):31-33.

［10］武世香.雙極型和場效應晶體管［J］.北京:電子工業出版社，1995.

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