X波段低噪声放大器的研究和设计

王俐聪

（上海无线电设备研究所，上海200090）

0 引言

在射频接收机的设计中，为了获得较好的接收灵敏度，往往在接收机的前端放置一个低噪声放大器，其主要功能就是对前端接收的微弱信号进行低噪声放大［1］。在低噪声放大器的设计中，通常要综合考虑其稳定性、功率放大功能、噪声系数和功率匹配等性能因素，以前的设计需要大量的理论计算和Smith圆图分析，给工作带来较大困难。射频仿真软件Advanced Design System（ADS）的推出简化了这一过程，它是Agilent公司在HPEESOF系列EDA软件基础上发展起来的一款比较完善的综合设计软件，内含很多具有小信号放大器设计功能的控件，可以完成大量的设计计算和Smith圆图分析［3］。下面将详细介绍基于射频仿真软件ADS进行设计和仿真低噪声放大器的具体方法和具体步骤。

1 低噪声放大器的设计理论

在本文中，低噪声放大器的设计理论采用输入端最小化噪声匹配设计和输出端共轭匹配设计。图1是低噪声放大器的电路原理框图，图中Γs为源反射系数，ΓL为负载反射系数，不同的Γs和ΓL将影响放大器的稳定性、噪声系数、增益、驻波等参数。设计放大器的过程就是根据放大器的S参数，以及噪声系数、增益、驻波等的要求来确定Γs和ΓL，再根据Γs和ΓL分别设计输入端和输出端的匹配网络。

图1 低噪声放大器的电路原理框图

1．1 输入端匹配网络设计

低噪声放大器最关键的技术指标是噪声系数NF，其与源反射系数Γs的关系为

式中：NFmin和Rn分别是晶体管的最小噪声系数和等噪声电阻；Γopt为最佳源反射系数。当Γs＝Γopt时，可以获得最低噪声系数NFmin。低噪声放大器的输入匹配电路都是按照噪声最佳来设计的。

1．2 输出端匹配网络设计

上小节中最佳噪声匹配设计是为了获得较小的噪声系数，为保证低噪声放大器较高的功率增益和较好的输出电压驻波比，在输出端通常采用输出共扼匹配［2］。

输出共轭匹配电路是在输入端匹配的基础上，重新计算晶体管（此刻是等效的晶体管，包含输入的匹配电路）的输入、输出阻抗，将输出阻抗匹配到特性阻抗为Zo＝50 Ohm，而后，整体优化输入、输出阻抗，即可达到最大功率传输，需要考虑的是协调噪声系数和最大功率的平衡取值，以达到所有设计参数之间的平衡。

在输入、输出匹配电路确定后，整体优化时，低噪声放大器与其它器件的连接，即放大器的输入、输出驻波系数要接近1，在接收机使用时，接收机的功率才能得到最大的传输。

2 低噪声放大器的软件设计和仿真优化

2．1 设计目标

低噪声放大器设计的关键是电路的第一级，因为第一级的噪声系数影响整个系统的接收灵敏度，假设系统是三级放大器，噪声系数和增益分别为F1、F2、F3和G1、G2、G3，系统的噪声系数为F，那么系统的噪声系数F为

因此低噪声放大器的第二级及后续电路的设计是为了获得更高的增益，本文中采用两级放大器，本论文的设计目标如下：频率：9 800 MHz～10 000 MHz；噪声系数：≤1．3 dB；增益：≥25 dB；增益平坦度：≤1 dB；功率1 dB压缩点：≥＋5 dBm；输入驻波比：≤1．7；输出驻波比：≤1．5。

2．2 低噪声放大器的ADS设计

2．2．1 建立模型

首先要选择微波材料，文中选取的材料是Rogers公司的R03006，介电常数εr为6．15，板厚0．64 mm。文中选用的器件是 NE－32584C，在ADS中建立低噪放模型的依据是器件的s2p文件，如表1和表2所示。

依据以上两个s2p文件可获得晶体管放大器的Γin和Γout，Γin是输入阻抗，Γout是输出阻抗，如图2所示，Γin和Γout是低噪声放大器的设计依据。

2．2．2 确定工作点和设计直流偏置电路

根据芯片在各直流工作点条件下的性能选择合适的直流工作点。本文选择的直流工作点：

Vds＝＋2V，Ids＝＋10 m A，Vgs＝－1 V，表1和表2中的参数就是在该直流工作点下的测试数据。

表1 器件NE32584C的s2p文件－S参数

表2 器件晶体管NE32584C的s2p文件－NF参数

低噪声放大器的直流偏置电路的设计是为了保证上面选择的静态工作点，并且保证在晶体管参数和温度变化的范围内，仍保持静态工作点的恒定，在软件中设计了该放大器的偏置电路及其仿真效果图，如图3所示。

图2 晶体管放大器的输入阻抗Γin和输出阻抗Γout

图3（a）是晶体管放大器的双极偏置电路，图3（b）是偏置电路的仿真图，S31表示信号在主通道的传输参数，满足S31≥－0．2 dB；S21表示信号在偏置电路通道的传输参数，满足S21≤－20 dB，可见偏置电路的设计符合要求。

2．2．3 稳定性判断及设计

图3 低噪声放大器的双极偏置电路及其仿真图

在低噪声放大器的匹配网络设计之前，要先进行稳定性设计，确保芯片的稳定性。首先应用ADS软件及芯片的s2p文件分析其稳定性，建立仿真环境，依据控件Mu和Mu＿Prime来判断电路的稳定性，电路绝对稳定的充要条件是负载稳定系数 Mu＞1和源稳定系数 Mu＿Prime＞1［4］，晶体管的初始稳定系数仿真结果如图4（a）所示，从图上可以看出，在增加电路稳定设计之前，晶体管NEC32584C的稳定系数（也就是K）＜1，处于不稳定状态，同样反映在晶体管的s2p文件中的输入反射参数S（1，1）和输出反射系数S（2，2），这两个参数反映的是输入和输出的匹配状态不好，反射较大。通常采用的改善稳定性的措施有两种：一种是串联阻抗负反馈，另一种是放大器输出端增加稳定衰减器［5］。本文采取的是前一种，图4（b）是增加电路稳定性设计后的稳定性仿真结果。在图4（b）可以看出，在9 800 MHz～10 000 MHz的范围内输入、输出及电路整体稳定性系数都大于或等于1，电路在设计频带内是稳定的。

2．2．4 匹配电路设计

（1）输入端匹配网络设计

图4 晶体管的初始稳定性分析和增加电路稳定性设计后的稳定性改善分析

在低噪声放大器的设计中，端口的匹配设计显得尤为重要，因为它的好坏直接影响到LNA的各项技术指标，如噪声系数、增益以及增益平坦度、输入输出驻波比等。低噪放的匹配设计用到的是Smith圆图工具，首先，利用ADS软件计算最佳源反射系数Γs＝Γopt，对应的就是最佳源阻抗Zopt，如图5所示。

图5 源反射系数Γs＝Γopt时的最佳源阻抗Z opt

根据图5中的最佳源阻抗Zopt，利用Smith圆图工具设计输入匹配网络如图6所示。

图6 输入匹配网络以及输入匹配情况下的增益和噪声系数

（2）输出端匹配网络设计

在输入匹配网络设计的基础上，根据最佳源反射系数Γopt和放大器的S参数，按照最大增益匹配来确定负载反射系数ΓL如图5。利用Smith圆图工具设计输出匹配电路如图7所示［6］。

比较图6和图7中的增益曲线和噪声系数可以看出，输入端匹配电路的设计保证了系统的最小噪声系数，输出端匹配电路的设计保证了系统的增益最大化。

2．2．5 仿真和电路整体优化

在以上几节中，分别设计了直流偏置电路、输入、输出匹配网络，但是输入、输出匹配网络的加入会改变场效应管的S参数，从而恶化某些指标。为了满足所有的设计目标，有必要进行全局的电路优化。首先选取优化变量，设置变量的变化范围，然后根据设计目标设置仿真目标，优化仿真变量，得到达到预设目标的最佳电路设计参数。优化后的仿真结果如图8所示。

图7 输出匹配网络以及输出匹配情况下的增益和噪声系数

图8 整体优化后的仿真结果

整体优化后，图5中各参数的仿真图如图9所示。

图9 整体优化后的最佳源阻抗、负载阻抗

3 制版、测试和调试

根据图8的优化结果确定电路，用软件AutoCAD2004画低噪放的版图，如图10所示。

图10 低噪声放大器的版图

设计中的低噪声放大器的测试数据如表3所示。比较表3的测试数据和2．1小节中的设计目标，该设计完全满足设计目标。

4 结束语

本文基于射频仿真软件ADS，利用NE32584C低噪声场效应管设计了一款低噪声放大器。电路采用两级结构，利用Smith圆图工具完成了输入端、输出端及其级间的匹配设计，实测结果表明，研制出的低噪声放大器完全满足设计要求，可应用在今后的接收机中。本文中采用的一些理念为今后的研究提供了一套设计思路，具有一定的实际参考价值。

表3 低噪声放大器的测试数据

［1］ 刘长军，黄卡玛，闫丽萍．射频通信电路设计［M］．北京：科学出版社，2007．

［2］ 张小兵．基于 ATF54143的LNA设计［J］．现代电子技术，2007，30（20）：165－167．

［3］ 郑磊．微波宽带低噪声放大器的设计［D］．成都：电子科技大学，2006．

［4］ Dale D Henkes．LNA Design Uses Series Feedback to Achieve Simultaneous Low Input VSWR and Low Noise［J］．Applied Microwave ＆ Wireless，1998，10（8）：26－32．

［5］ Murphy M T．Applying the Series Feedback Technique to LNA Design［J］． Microwave Journal，1989，32（11）：143－152．

［6］ Narhi T．Smith Charts Speed Design of Feedback amps［J］．Microwave ＆RF，1984，23（11）：99－106．