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

（河北科技大學信息科學與工程學院，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

（河北科技大學信息科學與工程學院，石家莊 050000）

本設計使用了高電子遷移率晶體管（PHEMT）作為放大電路的核心，設計一個2487MHz-2496MHz波段低噪聲放大器（LNA），電路采用三級級聯放大的結構形式。為實現小型化，輸入匹配采用不對稱微帶十字型結匹配方法，相對于傳統的T型、π型匹配網絡，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，最后設計了LNA指標。

ADS；LNA；噪聲系數；阻抗匹配；增益

1 引言

ADS適用于射頻、微波和信號完整性應用，能夠借助集成平臺中的無線庫及電路系統和電磁協同仿真功能，提供基于標準的全面設計及驗證。用戶可以使用系統提供的仿真工具構建電路，修改元器件參數，實現對具體電路的仿真設計。它是檢驗電路設計的一種有效手段[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、衛星地面接收、衛星遙感、雷達、GPS接收機等系統中都有著重要的應用，小型化、低噪聲、高增益、寬動態范圍、穩定可靠的LNA成為重要的研究方向，LNA設計核心是對輸入匹配網絡進行“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的確定、直流偏置電路設計、穩定性判定、輸入輸出阻抗的確定、匹配電路設計、S參數仿真分析和處理仿真結果。

2.1 晶體管器件的選擇和級數的確定

考慮到系統的增益和噪聲系數等指標要求，第一級采用PHEMT工藝晶體管ATF34143設計，在2GHz附近，噪聲系數為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需求中。最后根據預先設定好的方案（如圖1所示），利用ADS軟件進行輔助設計。

圖1 三級級聯放大電路框圖

2.2 直流偏置電路設計

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工作點，考慮到低電壓、低功耗，由ATF34143的數據手冊可知，選取ATF34143在2V，20mA的靜態工作點，采用自給偏壓式放大電路（如圖2所示），再根據計算機射頻軟件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計，如圖3所示。

圖2 N溝道結型場效應管自給偏壓式放大電路

圖3 直流偏置電路原理圖

2.3 穩定性判定

為使放大器穩定正常工作，避免產生自激震蕩，在這一條件下討論放大器的性能指標才有意義。放大器的設計必須在其給定的直流偏置和工作頻段內保持穩定，因此，提出在源極添加負反饋微帶線的方法，改善電路的穩定性。另外還有一些改善穩定性的方法，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優化。最終優化結果如圖4所示。

圖4 ATF34143穩定性判定結果

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的設計向導下S-Parameter Simulations，得出ATF34143在穩定性前提下，最佳增益和最佳噪聲系數下的源阻抗匹配及負載阻抗匹配條件。

2.5 匹配電路設計

匹配網絡在電路中兩個不同阻抗之間引入，匹配網絡的實質是實現阻抗變換，即將給定的阻抗值變化成更適合的阻抗值[1]。在設計低噪聲放大器的匹配電路時，輸入匹配網絡一般為獲得最小噪聲而設計，利用不對稱微帶十字型結進行阻抗匹配[3]，相對于傳統的T型、π型匹配網絡，體積更小，而輸出匹配網絡一般是為獲得最大功率和低電壓駐波比（VSWR）而設計，采用T型匹配網絡。本文主要是利用史密斯圓圖設計低噪聲放大器，這樣大大簡化了設計的復雜性。

在ADS中設計匹配電路的時候，選取靠近中心頻率點附近頻率2.5GHz進行匹配設計。我們分別對ATF34143和HMC286兩個晶體管進行匹配電路的設計，輸入端按照最佳噪聲系數下的源阻抗匹配設計，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，最終設計電路如圖5所示。

圖5 三級級聯拓撲結構圖

2.6 S參數仿真分析和處理仿真結果

利用ADS中的調諧工具進行調諧匹配電路的參數，可通過優化控件對其進行優化，使噪聲系數和增益及其輸入輸出駐波都能夠達到比較好的結果。若優化結果達不到要求，一般需要重設置參數的優化范圍、優化目標或考慮改變電路的拓撲結構，然后重新進行仿真優化。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，最后通過反復的仿真優化，由圖6可知，得到的放大電路的增益在39dB范圍內，噪聲小于1.5dB，輸入輸出駐波小于1.5dB。

圖6 S參數仿真結果

3 結束語

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

[1] 黃玉蘭.ADS射頻電路設計基礎與典型應用[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計[J]．應用科技，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，河北科技大學碩士研究生在讀，研究方向為數字交換與傳輸。噪聲匹配”，即從最小噪聲系數的角度出發來設計輸入匹配網絡。對于輸入匹配網絡采用不對稱微帶十字型結匹配方法，相對于傳統的T型、π型匹配網絡，體積更小，并對輸出匹配網絡進行最大增益設計，以滿足系統各項參數的要求。