L波段低噪聲放大器的分析與設計

李沛，吳曉光

(武漢科技學院 機電工程學院，湖北 武漢 430073)

L波段低噪聲放大器的分析與設計

李沛，吳曉光*

(武漢科技學院 機電工程學院，湖北 武漢 430073)

利用Advanced Design System (ADS)完成了L波段低噪聲放大器(LNA)的設計。分析了實際電路可能產生的非連續性、寄生參數效應等因素對電路各個性能指標的影響,并針對這些因素利用ADS進行了電磁仿真計算,最后給出了放大器的仿真結果和最終電路及測試結果。采用ATF-35143器件設計，達到了預定的技術指標，工作頻率1.21GHz，增益G大于14dB，噪聲系數N F小于0.5 dB，輸入1dB壓縮點大于5dbm。

射頻微波集成電路；低噪聲放大器；ADS；噪聲系數；阻抗匹配

近年來，無線通信、衛星通信、全球定位系統、雷達及無線接入系統迅速發展。現代通訊要求通信距離越來越遠、接受的靈敏度越來越高[1]。新型半導體器件的研制 ,使高速數字系統和高頻模擬系統不斷擴展 ,射頻和微波頻率應用越來越廣泛。L波段的頻率范圍為1-2GHz ,處于微波頻率的低端。低噪聲放大器(LNA) 作為接收系統的前端對系統的各項指標起著關鍵作用,因此設計性能良好的 LNA就有著重要的意義[2]。

1 設計的基本思路

放大電路采用ATF-35143管子進行設計,偏置在VDS=2V,ID=15 mA的條件下，當頻率為1.20GHz時,參照管子特性可知 ,ATF-35143在這個頻段的噪聲系數為0.3dB。此外，由于ATF-35143有非常低的噪聲阻抗,這會減小由于改變輸入端阻抗匹配對噪聲性能敏感度的影響。放大器的設計思路有多種,主要有按放大器的增益、噪聲系數、駐波比等來設計。設計LNA 需考慮到穩定性的問題 ,穩定性分為無條件穩定和有條件穩定。而兩種狀態的區別是通過在反射系數圓上觀察穩定性判定圓來區別穩定區和不穩定區的。增益的平坦度是靠良好的匹配來實現的。這些指標要求在實際設計的時候按系統的需要折衷考慮噪聲系數、增益、增益平坦度、輸入輸出駐波比、以及輸出功率,這樣整個LNA電路的基本設計思路就完成了[3]。

1.1 直流偏置的設計

直流偏置的設計是影響低噪聲性能的一個主要因素,最后設計的性能不良往往歸結于直流偏置設計不當。HEMT的偏置有多種方式,比較常用的一種是:漏極加正電壓, 柵極加負電壓以控制漏極電流,源極對直流是直接接地[4]。這種偏置方法的優點是: 因為源極沒有偏置電路,所以引入的源極反饋較小,對高頻而言比較容易穩定。但是這種偏置方法也有缺點,偏置電路相當于并聯在LNA中的傳輸線上,對LNA的性能會有影響。首先LNA接不同電源或電源受到干擾會影響偏置電路等效的并聯阻抗,從而改變LNA的匹配;其次對于第一級放大網絡的柵極而言,偏置電路中有耗元件產生的噪聲會直接加到LNA的輸入端[5],這會顯著提高LNA的噪聲。因此偏置電路對LNA應妥善隔離, 即其等效的并聯阻抗要盡量大,這里可以采用扼流網絡。扼流網絡應是在靠近射頻部分提供去耦、靠近電源部分提供低頻阻抗的結構,通常由一條1/4波長傳輸線和一個分布的扇形電容構成[6-8]。如果扼流網絡對信號通路提供射頻開路,電路性能就沒有變化;如果噪聲系數改變,說明網絡沒起到合適的旁路作用,可以通過改變傳輸線的長度或電容的面積來改善性能。扼流網絡的恰當設計可以使N F降低0.5dB左右。

1.2 源級反饋電路的設計

放大網絡包括晶體管及其他電路,一般放大網絡為共源極結構,柵極為輸入端,漏極為輸出端,而在公共端源極可適當地加入反饋電路。實際上,放大網絡的設計主要是源極反饋電路的調整,其目的是提高全頻帶的穩定性,另外對于第一級放大網絡, 源極反饋有利于同時實現噪聲匹配和輸入端功率匹配。適當的源極負反饋對放大網絡噪聲的影響很小,但改變了放大管的輸入阻抗,因此調整源極反饋可以改變S11,使之靠近opt,同時實現噪聲匹配和輸入端功率匹配。但是帶內的負反饋在帶外可能形成正反饋,從而影響放大網絡的穩定性,因此必須在確保穩定工作的前提下適當地選取源極反饋[9-11]。

實際設計源級負反饋的時候往往由于電感值太小而不能用集成元件實現，通常使用終端短路微帶線來設計，本次設計使用80Ω終端短路微帶線實現，微帶線的長度和寬度分別為1.17mm和4.5mm。

2 LNA設計與仿真結果分析

圖1為利用ADS設計的LNA部分電路圖，輸入輸出端采用CPWG結構設計[9]，為考慮實際情況，電路中的連接線均采用微帶線實現。

圖1 LNA電路圖

圖2為從ADS 原理圖直接導入到layout中生成的LNA版圖，為了模擬實際電路中的寄生效應及微帶線之間的耦合效應，利用ADS momtem對微帶線進行設計優化，以便減小實際制作中耦合效應的影響。

圖2 LNA版圖

為了對器件與微帶線的實際效應進行模擬，使用ADS的原理圖與版圖聯合仿真，對微帶線的關鍵部分使用電磁場仿真后進行打包處理，然后代入到原理圖中進行仿真，若仿真結果達不到要求，需進行優化設計，圖3為聯合仿真圖形[12-15]。

圖3 LNA聯合仿真

仿真優化結果如下：

3 LNA實物圖與測試結果

圖4為LNA實物圖，當測試結果不滿足指標要求時，必須對LNA的關鍵電路進行優化設計，如源級微帶線的長度及輸入輸出端匹配電路電感電容值的大小，直到測試結果達到要求為止。

圖4 LNA實物圖

圖5為采用Agilent E8363B矢量網絡分析儀對S參數進行測量的結果，結果顯示在中心頻率為1.21G的時候，S11小于-17dB, S22小于-20 dB, S21為14.6dB，S12小于-19dB。

測試結果：

圖5 LNA S參數測試結果

1dB壓縮點采用Agilent E4440A頻譜儀手動測試，按照步長1dB逐漸增大輸入信號功率來觀察輸出功率的變化，當輸出功率小于理想輸出功率1dB時即為輸入1dB壓縮點，經測試，該LNA的輸入1dB壓縮點為6dbm。

表1列出了LNA的主要性能指標，其中Noise為仿真結果，其余為測試結果[15]。

表1 LNA的主要性能指標

4 結論

利用ADS成功設計了基于ATF-35143的L波段工作的低噪聲放大器，中心頻率在1.21GHz，測試結果表明設計的LNA具有良好的性能指標，也說明了利用ADS進行射頻微波電路的設計是充分可行的。

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Design and Analysis of L-Band Low Noise Amplifier

LI Pei，WU Xiao-guang

(College of Mechanical and Electrical Engineering , Wuhan University of Science and Engineering, Wuhan 430073, China)

An L band low noise amplifier (LNA) is designed in this paper by means of Advanced Design System (ADS). The paper also elaborates on such factors as the possible discontinuity and parasitic parameter effect in actual circuit as well as their impacts on each performance index of the circuit. In consequence, the simulation results of LNA and the measured results of the final circuits are given by electromagnetic simultation calculation of ADS in connection with such factors. By adopting the ATF-35143 device in the design, technical index meet the expected specifications with the work frequency of 1.21GHz, conversion gain over 14dB, noise factor (NF) below 0.5dB, compression point over 5dbm with the input of 1dB.

RF microwave integrated circuits; low noise amplifier (LNA); ADS; noise factor; impedance matching

TN722

A

1009－5160(2010)01－0044－04

*通訊作者：吳曉光（1954-），男，教授，研究方向：數控系統及仿真、數字化紡織裝備及關鍵技術研究.

國家自然科學基金項目（50775166）.