微波低噪聲放大器的設計及ADS的仿真設計

0引言

隨著(zhù)通訊工業(yè)的飛速發(fā)展，人們對各種無(wú)線(xiàn)通訊工具的要求也越來(lái)越高。功率輻射小、作用距離遠、覆蓋范圍大已成為各運營(yíng)商乃至無(wú)線(xiàn)通訊設備制造商的普遍追求，而這也同時(shí)對系統的接收靈敏度提出了更高的要求。

1 微波低噪聲放大器的作用

一般情況下，一個(gè)接收系統的接收靈敏度可由以下計算公式來(lái)表示：



由上式可見(jiàn)，在各種特定(帶寬B_W、解調S／N已定)的無(wú)線(xiàn)通訊系統中，能有效提高靈敏度的關(guān)鍵因素就是降低接收機的噪聲系數NF，而決定接收機噪聲系數的關(guān)鍵部件則是處于接收機最前端的低噪聲放大器。

圖1所示是接收機射頻前端的原理框圖。由圖1可見(jiàn)，低噪聲放大器的主要作用是放大天線(xiàn)從空中接收到的微弱信號，降低噪聲干擾，以供系統解調出所需的信息數據，所以，低噪聲放大器的設計對整個(gè)接收機來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。



2 微波低噪聲放大器的主要技術(shù)指標

2.1噪聲系數

噪聲系數的定義為放大器輸入信噪比與輸出信噪比的比值，即：



對單級放大器而言，其噪聲系數的計算為：



其中F_min為晶體管最小噪聲系數，是由放大器的管子本身決定的，Γ_opt、R_n和Γ_s分別為獲得F_min時(shí)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。

對多級放大器。其噪聲系數的計算應為：



其中N_Fn為第n級放大器的噪聲系數，G_n為第n級放大器的增益。

對噪聲系數要求較高的系統，由于噪聲系數很小，用噪聲系數表示很不方便，故常用噪聲溫度來(lái)表示，噪聲溫度與噪聲系數的換算關(guān)系為：


其中T_e為放大器的噪聲溫度，T₀=290⁰K，N_F為放大器的噪聲系數。



2.2 放大器增益

放大器的增益定義為放大器輸出功率與輸入功率之比：

G=P_out／P_in (7)

通常提高低噪聲放大器的增益對降低整機的噪聲系數非常有利，但低噪聲放大器的增益過(guò)高會(huì )影響整個(gè)接收機的動(dòng)態(tài)范圍。所以，一般來(lái)說(shuō)，低噪聲放大器的增益確定應與系統的整機噪聲系數、接收機動(dòng)態(tài)范圍等結合起來(lái)考慮。

2.3 反射系數

由式(3)可知，當Γ_s=Γ_opt時(shí)，放大器的噪聲系數最小，N_F=N_Fmin，但此時(shí)從功率傳輸的角度來(lái)看，輸入端會(huì )失配，所以，放大器的功率增益會(huì )降低，但有些時(shí)候，為了獲得最小噪聲，適當的犧牲一些增益也是低噪聲放大器設計中經(jīng)常采用的一種辦法。

另外，低噪聲放大器的輸入輸出駐波比、動(dòng)態(tài)范圍、工作頻率、工作帶寬及帶內增益平坦度等指標也很重要，設計時(shí)也需加以考慮。

3 電路仿真設計

本電路設計要求的頻率范圍為1.95～2.05GHz，噪聲系數：為Nf應小于2 dB，帶內增益為G大于10 dB，輸入，輸出阻抗為50 Ω?，F以上述指標來(lái)進(jìn)行電路晶體管的選擇以及ADS仿真。

3.1 晶體管的選擇

根據放大器的性能要求，本設計選用HP公司的AT-41511作為核心器件來(lái)進(jìn)行設計。由于在A(yíng)DS軟件中包含有這種型號晶體管的器件模型，因此，在設計和仿真過(guò)程中可以直接使用，而不必再自己建造器件模型。

3.2 ADS仿真綜合指標的實(shí)現

仿真時(shí)，可將噪聲系數、放大器增益、穩定系數全部加入優(yōu)化目標中進(jìn)行優(yōu)化，并通過(guò)對帶內放大器增益的限制來(lái)滿(mǎn)足增益平坦度指標，最終達到各個(gè)指標要求。反復調整優(yōu)化方法并優(yōu)化目標中的權重(Weight)，也可以對輸入匹配網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行優(yōu)化。但是，對部分電路指標的優(yōu)化也可能導致其它某些指標的惡化，此時(shí)可以根據需要增加一些優(yōu)化變量。

圖2所示是經(jīng)過(guò)一次隨機優(yōu)化的S參數圖。


仿真結果表明，該電路基本上已經(jīng)達到了比較好的性能，且具有良好的輸入輸出匹配，較高的增益和穩定系數，同時(shí)噪聲系數也比較好。

3.3 封裝模型仿真設計

進(jìn)行完sp模型設計以后，還需要將sp模型替換為封裝模型來(lái)做進(jìn)一步設計。具體需要進(jìn)行的工作如下：

(1)將sp模型替換為封裝模型；

(2)選擇直流工作點(diǎn)并添加偏置電壓；

(3)進(jìn)行饋電電路的設計(電阻分壓、扇形線(xiàn)、高阻線(xiàn)等的使用)；

(4)替換為封裝模型后各項參數可能會(huì )有所變化，如不滿(mǎn)足技術(shù)指標，還可以對封裝模型的原理圖再進(jìn)行仿真優(yōu)化。

設計封裝模型時(shí)?？捎脠D3所示的電路來(lái)對器件的I-V特性進(jìn)行仿真，以選擇其直流工作點(diǎn)。



在設計偏置電路時(shí)，為了防止交流信號對直流電源的影響，可在電源與饋電點(diǎn)之間添加1／4波長(cháng)的高阻線(xiàn)以遏制交流信號。如果電路中有終端短路的微帶線(xiàn)，為了避免直流短路，還應在接地端插入隔直電容。

4 結束語(yǔ)

從仿真設計的過(guò)程可以看到，使用Agilent公司的ADS軟件進(jìn)行射頻電路設計、仿真和優(yōu)化是非常方便的。它含有豐富原理圖模型庫、多種仿真分析方式和一系列使用簡(jiǎn)便而功能強大的設計工具。這都可使復雜的射頻電路設計工作變得簡(jiǎn)便快捷，省去了大量人工計算設計的過(guò)程，提高了設計工作效率。本文給出的微波低噪聲放大器的設計還是比較成功的，基本達到了指標要求。

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