ADS軟件在“高頻電子線路”實踐教學中的應用

摘 要：在高頻電子線路的教學中引入工程實踐輔助教學，設計仿真及實物演示，從而大大提升學生學習的積極性和主動性，提高學生的工程實踐技能和創新能力。通過創新教學手段和教學方法，在使學生扎實掌握基本理論的基礎上，提高課堂教學效果。文章論述了低噪聲放大器的主要技術指標，對電路設計中的諸多要點進行了分析，通過在高頻電子線路課程教學中引入ADS射頻電路仿真軟件進行低噪放的模擬和優化，最終實現了三級低噪聲放大器的研制。通過電路調試，達到了預定的技術指標，成功實現了高性能、小尺寸、低噪聲放大器的建設目標。

關鍵詞：低噪聲放大器；ADS；實踐技能

中圖分類號：TP39；G434 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2024）16-0189-06

Application of ADS Software in Practical Teaching of High-frequency Electronic Circuits

Abstract： This paper introduces engineering practice auxiliary teaching in the teaching of high-frequency electronic circuits， designs simulation and physical demonstrations so as to greatly enhance students' enthusiasm and initiative in learning， and enhance their engineering practice skills and innovation abilities. By innovating teaching methods and techniques， it improves classroom teaching effectiveness based on enabling students to firmly grasp basic theories. The paper discusses the main technical indicators of low noise amplifiers， analyzes many key points in circuit design， and introduces ADS RF circuit simulation software for simulation and optimization of low noise amplifiers in high-frequency electronic circuit cours1is3wosUn10d7KGWTNtNpA==e teaching. Finally， the development of a three-level low noise amplifier is achieved. Through circuit debugging， the predetermined technical indicators are achieved， and the construction goal of high-performance， small-size and low noise amplifiers is successfully achieved.

Keywords： low noise amplifier; ADS; practice skill

0 引 言

高頻電子線路課程是電子信息等相關工程專業的一門專業核心課[1-2]，課堂教學效果直接關乎學生對后續其他專業課程的學習，同時也是學生必須掌握的專業基礎知識之一。該門課程對理論性和實踐性的要求都比較高，學生對該門課程的反饋一直是理論抽象、公式多、電路分析復雜、理解不易[3-4]。鑒于此，很多教師都進行了教學方法和教學手段的改進[5-8]。針對目前教學輔助軟件單一的問題，本課程引入ADS射頻電路仿真軟件[9-10]進行輔助教學，使學生對目前工程中廣泛使用的射頻電路仿真軟件有一定的了解，也使學生對該門課程的學習興趣得以提升。

高頻電子線路主要介紹通信系統收發設備中各單元模塊的電路特點和工作原理，理論教學中教師需對電路進行分解，對工作原理進行詳細講授，而實際工程中往往直接使用具有放大功能的集成芯片，在進行電路設計時的設計步驟與理論教學中的設計步驟存在差別，因此使學生掌握電路工作原理，并利用電路仿真軟件對原型電路進行仿真驗證后，可通過講解實際工程中的電路搭建過程，激發學生的學習興趣，強化學生的理論知識，提升學生的工程實踐能力。

本文對接收設備中的小信號放大器模塊進行理論分析和電路仿真，高頻電子線路課程教學中往往不考慮其對系統的噪聲影響，只介紹小信號調諧放大器的放大和選頻原理，而實際工程中，由于小信號放大器位于射頻接收機前端，對接收機靈敏度具有決定性的影響，它在對天線接收的微弱信號進行放大的同時還降低噪聲的干擾，因此通常把位于接收機前端的小信號放大器稱為低噪聲放大器。在工程實踐中，低噪聲放大器的設計包括偏置電路的設計、匹配網絡的設計，以及進行穩定性分析等，需要考慮的因素有噪聲系數、增益、穩定性和帶寬動態范圍等，此外還應考慮成本、電路尺寸、功耗大小等因素。總體來說，設計一個低噪聲系數、高增益、高動態范圍、絕對穩定、低功耗、小尺寸和低成本的低噪聲放大器是通信電子工程師致力追求的事情。

1 低噪聲放大器的設計理論

低噪聲放大器從空中接收微弱的無線電信號，在盡量不增加噪聲的情況下放大信號到后級需求的電平，因此對噪聲系數的要求非常高。同時，為減小后級噪聲對整機噪聲的影響，低噪聲放大器還需有一定的增益。低噪聲放大器前級與天線相連，后級與混頻器相連，要求低噪聲放大器前后級在滿足最小噪聲的前提下與50歐姆匹配，達到盡可能低的反射系數，同時要有較高的隔離度，防止信號串擾。

1.1 噪聲系數

噪聲系數即放大器輸入端信噪比與輸出端信噪比的比值，即：

它的物理含義是，信號通過放大器后在傳輸過程中產生的噪聲使得信噪比下降的倍數。單級放大器的噪聲系數計算式為：

其中，NFmin表示晶體管的最小噪聲系數，由放大管本身決定。Γopt、Rn、Γs分別表示獲得NFmin時的最佳源反射系數，晶體管等效噪聲電阻以及晶體管輸入端的源反射系數。當Γs=Γout時，低噪聲放大器的噪聲就是最小值NFmin。多級放大器的噪聲系數表達式為：

其中，Fn表示第n級放大器的噪聲系數，Gn表示第n級放大器的增益。

因此，對于多級放大器，第一級低噪聲放大器的噪聲是整個接收機鏈路的系統噪聲的主要來源，接收機的噪聲基底越低，接收機的靈敏度就越高。由式（3）可以看出，為了抑制后級噪聲的影響，低噪放的增益不能太小，但增益太大又會影響接收機的動態范圍，可能引起自激，所以說噪聲和增益有著互相制約的關系。

1.2 穩定性判別

在工作頻段內保持穩定是放大電路需要滿足的首要條件之一。射頻電路在某些頻率和終端條件下有參數振蕩的傾向。當放大器輸入端和輸出端的反射系數模值都SMPLprfu2ZZIgkqeJLzJKA==小于1時，無論源或負載阻抗如何，網絡都必然是穩定的，這稱為絕對穩定；當放大器輸入端或輸出端的反射系數模值大于1時，網絡是不穩定的，這稱為條件穩定。在設計一個放大器時，首先必須判定工作頻段內的穩定性，常用的穩定性判別準則有兩種：

1）K-Δ準則，當|S11|＜1、|S22|＜1時，|Δ|＜1，K＜1，具體表達式如式（4）所示：

2）μ判別法：

在ADS軟件里通過調用穩定性分析的不同控件，可以得出不同判別式的仿真結果。

1.3 放大器增益和平坦度

放大器增益即放大器的輸出功率Pout和輸入功率Pin的比值：

由多級放大器的噪聲系數計算式（3）可知，若提高增益則可以降低整個系統的噪聲系數，但第一級低噪聲放大器的增益太高又會影響整個系統的動態范圍。因此一般來說，低噪放增益指標的確定應和系統整體的噪聲系數及接收機的動態范圍綜合起來考慮。而增益平坦度則指放大器在工作頻段范圍內的增益波動，也稱為帶內波紋，通常用頻帶內的最高增益和最低增益的差值來表示。設計多級低噪聲放大器時需要注意，前級的電路需主要考慮噪聲的影響，后級的電路則主要考慮增益的要求。當放大器要設計為寬頻帶或超寬帶時，可采用負反饋技術以彌補匹配網絡帶來的增益補償。利用負反饋設計放大器時，帶寬可以做到非常寬，并且增益變化也小，這是犧牲了一部分的增益和噪聲換來的。

1.4 端口駐波比

微波放大器通常用在阻抗50歐姆的微波系統中，輸入/輸出駐波表示的是端口阻抗和50 Ω的匹配程度。駐波比的計算式為：

低噪聲放大器輸入端和輸出端的匹配情況決定了輸入端和輸出端的頻率響應，輸入端和輸出端的駐波比可以表示輸入回路和輸出回路的匹配情況。當設計低噪放匹配電路時，為了獲得最小的噪聲系數，輸入匹配網絡一般都需要以最佳噪聲匹配來設計，輸出匹配網絡則以最大功率匹配來設計，所以一般低噪聲放大器的輸入端都存在某種失配。而失配有時會使系統出現不穩定的情況，一般來說，為了減小放大器的輸入端失配引起的端口反射影響，可以使用插入損耗值較小的隔離器來解決。

2 低噪聲放大器設計過程

低噪放的設計過程主要有以下幾個步驟，如圖1所示。

設計低噪聲放大器所面臨的第一個問題就是如何選取晶體管。通常考慮如下因素：

1）噪聲小，增益高，價格合適。

2）動態范圍盡量高，非線性失真要小，失真越小越能保證系統的性能和穩定性。

3）小的功耗，靜態工作點的電壓，電流盡量小。

4）在低噪放的后級或對低噪放尺寸要求較高的場合，一般選用MMIC。

在確定了晶體管后，最重要的工作是進行匹配電路的設計。良好的匹配電路才能最大限度地實現低噪聲與高增益的特性。在低噪放中常用的原則有最小噪聲匹配和最大增益匹配兩種。在進行低噪放設計時，通常輸入匹配進行的都是最小噪聲匹配，將滿足最小噪聲系數時對應的源極反射系數匹配到50歐姆系統。而另一種最大增益匹配即是將放大器的輸出反射系數調整到放大器的負載反射系數的共軛，就會有最大傳輸功率。低噪聲放大器的匹配電路在射頻頻率的較低頻段可以由分立器件進行匹配，這樣可大大縮小電路尺寸，在高頻頻段則需采用微帶線進行匹配，雖然電路尺寸會在一定程度上增加，但與此同時可增強電路匹配的精度，使調試工作變得簡單易行。通常結合具體的電路要求，選擇合適的匹配網絡。

在設計過程中還要考慮穩定性與增益的關系，如圖2所示。

穩定度與增益的關系可用式（8）表示：

當K=1時，可得到最大的功率增益，隨著K值的增大，增益會隨之下降，所以對于一般放大器而言，在工作頻段內遵循如圖2所示的穩定因子K與增益的關系，即在所需的工作帶寬內，讓其穩定因子K≥1，且不宜過大；在工作頻段外的更高頻段上，在保持穩定性的條件下，讓K值遠大于1，增益更小，以衰減帶外雜散信號。

通過安捷倫提供的AppCAD軟件進行偏置電路元件值的選取，在源極串接微帶線負反饋改善穩定性，運用ADS里的史密斯原圖和調諧工具進行輸入輸出匹配電路的設計，最終得到的電路原理圖如圖3所示。輸入輸出的匹配采用分立元件進行，可大大減少電路尺寸，更適用于現代便捷通信。為了使仿真結果與實際結果更接近，分立元件采用日本村田公司的電容電感進行仿真，這樣考慮了實際元件封裝寄生參數的影響。仿真結果如圖4所示。

由仿真結果可見，低噪放輸入端反射系數達到-28 dB，輸出端反射系數達到-22 dB，增益達到13.5 dB，噪聲系數只有0.48 dB，電路性能良好。

因為第一級低噪聲放大器的噪聲系數對總噪聲影響較大，所以常采用分離式結構，以求較小的噪聲，而后續的兩級按照設計目標對增益和噪聲的分配，可以挑選合適的MMIC來實現。這樣不但減少了電路的復雜性，還降低了電路的尺寸。本設計選用RFMD公司的SPF-5043Z實現后續兩級低噪放。由于后兩級放大器選用集成MMIC，輸入輸出匹配已達到50歐姆，不需進行額外的阻抗匹配，只需根據芯片的datasheet給出的外圍電路進行電路連接即可。另外，為了抑制帶外干擾，減少雜波的影響，還需在三級放大管之間加入濾波器。在第二級與第三級放大管之間插入2 M帶寬，插損1.1 dB的聲表面濾波器SAWTEK856042進行濾波。選用介電常數2.2的板材進行三級低噪聲放大器的制作與調試，最終制作出的三級低噪聲放大器的實物圖如圖5所示。

通過矢量網絡分析儀測得的S參數如圖6所示，在進行S參數的測定過程中，由于電路輸入輸出使用離散元件進行匹配，而實際元件標稱值有限，與仿真所得的值會有誤差，因此在實際測試中，還需要根據Smith圓圖進行輸入輸出匹配元件的調整，以使電路達到最佳狀態。最終制作的三級低噪聲放大器在測試頻點增益為35.85 dB，輸入反射系數為-16.62 dB，駐波比達到1.32，輸出反射系數為-13.9 dB，駐波比為1.49，反向隔離為-55.45 dB。測試結果表明，該低噪聲放大器滿足工程應用需求，同時對于高頻電子線路教學，通過本次設計實踐，拓展了課程理論教學的深度和廣度，極大地提升了學生的學習興趣和工程實踐經驗。

3 結 論

本文設計了一個工作在L波段的高增益小尺寸低噪聲放大器，因為第一級的噪聲對總體噪聲影響大，應使其自身噪聲系數盡量小，同時增益足夠大，以減少后級噪聲的引入。通過合理選擇第一級及二三級的晶體管芯片，在ADS射頻仿真軟件中進行了單級低噪聲放大器的仿真優化，最后通過實際調試使三級級聯的低噪聲放大器達到了工程上的應用要求。最終設計出的低噪聲放大器，作為接收機的射頻前端，已成功應用于無線接收機中。通過在高頻電子線路的教學中引入工程實踐輔助教學，進行設計仿真及實物演示，可以大大提升學生學習的積極性和主動性，提高學生的工程實踐技能和創新能力，在使學生扎實掌握基本理論的基礎上，不斷改進教學手段和教學方法，提高課堂教學效果。

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