基于A(yíng)DS的C波段的低噪聲放大器仿真設計研究

摘要：低噪聲放大器是接收機中最重要的模塊之一，文中采用了低噪聲、較高關(guān)聯(lián)增益、PHEMT技術(shù)設計的ATF35176晶體管，設計了一種應用于5．5～6．5 GHz頻段的低噪聲放大器。為了獲得較高的增益，該電路采用三級級聯(lián)放大結構形式，并通過(guò)ADS軟件對電路的增益、噪聲系數、駐波比、穩定系數等特性進(jìn)行了研究設計，最終得到LNA在該頻段內增益大于32．8 dB，噪聲小于1．5 dB，輸入輸出駐波比小于2，達到設計指標。
關(guān)鍵詞：低噪聲放大器；ADS；PHEMT；負反饋網(wǎng)絡(luò )；匹配電路

在整個(gè)接收系統中，低噪聲放大器總是處于前端的位置。整個(gè)接收系統的噪聲取決于低噪聲放大器的噪聲。與普通放大器相比，低噪聲放大器一方面可以減小系統的雜波干擾，提高系統的靈敏度；另一方面放大系統的信號，保證系統工作的正常運行?？傊?，低噪聲放大器的性能不僅制約了整個(gè)接收系統的性能，而且，對于整個(gè)接收系統技術(shù)水平的提高，也起了決定性的作用。

1 低噪聲放大器的設計指標
低噪聲放大器的主要性能指標包括：穩定性、功率增益、噪聲系數、增益平坦度等，在這些指標之中噪聲系數和放大增益對系統性能的影響較大。因此對低噪聲放大器的設計主要從穩定性、功率增益、噪聲系數、輸入輸出電壓駐波比等方面進(jìn)行考慮。
1．1 穩定性
放大器電路必須滿(mǎn)足的首要條件之一是其在工作頻段內的穩定性。因為假如在設計和制造放大器時(shí)不謹慎從事，在微波頻率上一些不可避免的寄生因素往往足以引起振蕩。
所以為了保證電路的穩定性，主要采取以下措施：1)可以在源極引入負反饋，使電路處于穩定狀態(tài)；2)采用鐵氧體隔離器能穩定電路；3)在漏極串聯(lián)電阻或∏型阻性衰減器，通常接在低噪聲放大器末級或末前級輸出口。而目前提高電路穩定性常用的是引入負反饋。
1．2 功率增益以及增益平坦度
放大電路的增益是放大電路最重要性能指標，也是設計放大電路的一個(gè)基本參數。因此在放大器的設計中增益指標的完成很是重要，功率增益主要有3種描述方式：可用功率增益GA，工作功率增益GP，轉換功率增益GT。
增益平坦度對于低噪聲放大電路來(lái)說(shuō)，就是全頻帶范圍內增益變化要平緩，不允許增益變化陡變。
1．3 噪聲系數
噪聲系數是LNA的另一重要指標，如果接收系統噪聲系數過(guò)大，信號會(huì )被噪聲埋沒(méi)，致使接收系統的靈敏度減小。
1．4 駐波比
低噪聲放大器通常用輸入輸出駐波比來(lái)表示輸入輸出信號的反射損耗，輸入輸出駐波比過(guò)大時(shí)不僅會(huì )損壞與低噪聲放大器級聯(lián)的器件還會(huì )使系統的增益起伏和群遲延變壞，因此低噪聲放大器的輸入輸出駐波比應該滿(mǎn)足一定要求，在一般系統中功率放大器的輸入輸出駐波比要小于2。

2 低噪聲放大器的電路設計步驟
2．1 晶體管器件的選擇和級數的確定
隨著(zhù)器件工藝技術(shù)的發(fā)展，人們開(kāi)發(fā)了許多新型的半導體器件。除砷化鉀場(chǎng)效應晶體管(GaAs FET)外，其佼佼者有高電子遷移率晶體管(HEMT)和異質(zhì)結雙極晶體管(HBT)。根據有關(guān)資料對3種主要器件的介紹和比較，我們知道HEMT可以提高跨導和電流密度，而且它能減小電路對工藝的敏感性，用HEMT制作的多級低噪聲放大器已廣泛用于衛星接收系統、電子系統及雷達系統。所以本設計選用HP公司的ATF-35176來(lái)進(jìn)行低噪聲放大器的設計。該器件是一種低噪聲砷化鎵PHEMT器件，適用于工作在2～18 GHz的低噪聲放大器，滿(mǎn)足設計要求。
另外考慮放大器的增益指標，由于一般的單管增益為9～12 dB，本設計的低噪聲放大器目標需達到30 dB的增益，因此采用了三級級聯(lián)放大電路。
2．2 晶體管直流分析
靜態(tài)工作點(diǎn)的選擇直接關(guān)系到放大電路的各種性能，所以結合ATF35176的使用手冊上的數據對該晶體管的傳輸特性進(jìn)行分析，選擇合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。
2．3 偏置電路設計
直流偏置電路根據外加電源可以分為2種：一種是雙電源供電，另一種是單電源供電。單電源供電一般用于微波較低頻段，單電源供電電路結構簡(jiǎn)單，但是對于噪聲有一定影響。雙電源供電一般用于比較高的微波頻段，因為它可以在高頻段提供較好的噪聲特性。本論文采用的就是正負雙電源供電，有利于低噪聲設計，偏置電路如圖1所示。

2．4 穩定性分析
由于對偏置電路進(jìn)行仿真得到穩定系數結果如圖2所示，可以從圖中看出在整個(gè)工作頻段，放大器處于絕對穩定狀態(tài)，所以無(wú)需進(jìn)行穩定性設計。

2．5 輸入匹配電路設計
由于本設計采用多級放大，而第一級放大器的噪聲系數對整個(gè)低噪聲放大器電路的影響起這決定性作用，所以第一級放大器按照最小噪聲系數對輸入端進(jìn)行匹配，采用smith圓圖工具進(jìn)行匹配，得到的輸入匹配電路如圖3所示。

2．6 級間匹配
級間匹配電路的基本任務(wù)是使后級微波管輸入阻抗與前級微波管輸出阻抗匹配，以獲得較大增益。因為第一級的設計是按最低噪聲設計的，并沒(méi)有使增益達到最大，所以第二級的噪聲對整體的影響也是十分明顯的，因此第一二級間的匹配也要偏重噪聲系數，匹配電路如圖4所示。而二三級間的匹配電路按照最大增益匹配設計，匹配電路如圖5所示。

2．7 輸出匹配電路設計
輸出匹配電路的設計主要考慮增益和駐波比，基本任務(wù)是把微波管復數輸出阻抗匹配到負載實(shí)數阻抗，從而提高增益和輸出駐波比，匹配電路如圖6所示。

2．8 負反饋電路
為了適當改善放大器增益平坦度，在晶體管柵源之間采用負反饋網(wǎng)絡(luò )所示，具體電路如圖7所示。

實(shí)際上負反饋網(wǎng)絡(luò )除了拓寬頻帶、改善增益平坦度外，還參與了匹配并改善輸入輸出駐波，其優(yōu)點(diǎn)是便于充分發(fā)揮PHEMT電路的低噪聲和高增益特性。
2．9 整體電路仿真優(yōu)化
采用ADS中的優(yōu)化功能，對原理圖中微帶線(xiàn)的長(cháng)度、電容與電感值進(jìn)行優(yōu)化，最后得到滿(mǎn)足要求的低噪聲放大器。其仿真所得的駐波比、噪聲系數以及增益分別如圖8、圖9、圖10所示。

通過(guò)ADS仿真，噪聲放大器工作在5．5～6．5 GHz波段，增益大于32．8 dB，噪聲系數小于1．5 dB，駐波比小于2，滿(mǎn)足設計需求。

3 結束語(yǔ)
文中主要采用三級放大，低噪聲放大器選用ATF-35176晶體管，通過(guò)仿真分析，完成了偏置電路以及輸入、級間和輸出的匹配電路設計，并采用ADS軟件進(jìn)行全部電路的優(yōu)化仿真，仿真結果表明，低噪聲放大器工作在5．5～6．5 GHz波段，增益大于32．8 dB，噪聲系數小于1．5 dB，駐波比小于2，達到了設計指標的要求。本設計還有進(jìn)一步改善的可能，接下來(lái)將繼續采用一些其他的設計結構來(lái)改善此設計。