基于ADS的特高频低噪声放大器仿真设计

孙艳丽 凌云峰 王国庆

摘  要  针对高频电子线路实验只能在实验箱做验证性实验的问题，提出运用ADS软件进行设计性实验。以设计500 MHz特高频小信号低噪声放大器为例，通过直流仿真、S参数仿真、阻抗匹配、整体仿真完成设计并测试带宽，增益平坦性、噪声系数及S参数等指标。实践表明：将ADS仿真应用于高频电子线路实验教学中，可以培养学生的综合实践能力和创新能力，激发学习兴趣，增强教学效果。

关键词  高频电子线路；实验；ADS；低噪声放大器；仿真

中图分类号：G642.423    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2022）12-0035-04

Abstract  Aiming at the problem that High-Frequency Electronic Circuit Experiments can only uses hardware experiment box to do replication experiments， this paper presents a new experimental teaching way of using ADS software to design experiments. Taking the design of 500 MHz ultra-high fre-quency small signal low noise amplifier as an example， the design is completed through DC simulation， S parameter simulation， impedance matching， and overall simulation. And the bandwidth， gain flatness， noise figure and S parameter are tested. Practice shows that applying ADS simulation to highfrequency electronic circuit experiment teaching can cultivate students comprehensive practical ability and innovation abi-lity， stimulate learning interest， and enhance teaching effects.

Key words  high-frequency electronic circuit; experiment; ADS; low noise amplifier; simulation

0  引言

高頻电子线路课程是电子类专业必修的一门专业基础课，该课程实践性强，实验课是将理论知识与工程实践连接的纽带，在验证理论的基础上培养学生的工程观念、创新思维和动手能力。但现有实验主要是在实验箱上进行验证，观察实验现象，很难实现设计。因此，将Advanced Design System（ADS）仿真软件应用于高频电子线路实验中，通过仿真设计，达到提高学生设计能力目的。本文以500 MHz特高频小信号低噪声放大器设计为例，引入微波中S参数概念进行阻抗匹配，通过仿真完成设计，观察指标效果，满足设计要求。

在无线通信设备中，接收机接收的电信号较为微弱，在下变频变换之前需要进行放大处理。低噪声放大器（LNA）作为无线通信接收系统的第一个电路单元，它的性能直接影响整个接收机的性

能[1-2]。低噪声放大器的功能是在保证产生最低的噪声前提下将信号进行放大，以降低后续模块所产生的噪声对信号的影响。整个系统的噪声主要由第一级噪声决定，因此，作为第一级的低噪声放大器，它的性能至关重要[3]。基于ADS设计的低噪声放大器指标如下：

工作频率：500 MHz

噪声系数：NF＜0.8 dB

增益：G＞15 dB

归一化电压传输系数：S11＜-15 dB

1  直流仿真

1.1  建立直流仿真

采用Avago的低噪声放大器芯片ATF54143，该芯片是超宽带低噪声放大器，应用频率范围可达450 MHz～10 GHz，而且芯片在低频段具有极好的抗噪声性能。首先从Avago官网上下载ATF54143的设计模型，按照ADS向导步骤释放到目标文件夹，最终生成ADS工程。低噪声放大器设计的第一步是对低噪放芯片进行直流仿真，确定芯片的静态工作点。在ADS新建的原理图中调出直流仿真控件，再把芯片的模型调用出来进行仿真。将调用出来的模型按照引脚标号与直流仿真控件连接好，芯片的G脚与直流控件的栅极相连，D脚与直流控件的漏极相连，两个S脚分别接地。芯片的噪声系数与漏极电流有密切的联系，本设计的静态工作点选择为VGS=0.59 V，VDS=3.0 V。

1.2  偏置电流设计

新建原理图中调入ATF54143模型和V_DC，连接偏置电路、模型和电压源，并且芯片电性能参数对控件进行设置。选择放大器设计向导中的偏置电路设计，ADS会自动生成一个偏置电路，选择源极电阻为零的偏置电路，源极只需要加一个反馈的电感就可以。在原理图中加入DC仿真控件，运行仿真，在原理图中查看各个节点的电压、电流值，生成实际元件的偏置电路，如图1所示。

2  S参数仿真分析

偏置电路生成以后，需要知道芯片的S参数性能，所以需要对其进行S参数仿真[4-5]。放置S参数仿真控件，Trem仿真端口。把S参数仿真需要的元器件从元器件列表中调出来，按照图2连线连接。设置S参数仿真参数。在原理图中加入最大增益分析控件和稳定性分析控件。

通过仿真，显示最大增益和稳定性的曲线。一般此时芯片的稳定性StabFact＜1，说明该芯片在设计频带内是不稳定的，应采取稳定措施来增加穩定性。增加稳定性的方法常见的有三种：1）输入串联RC并联网络；2）源端并电感到地；3）增加负反馈。

方法1）引入电阻会影响噪声系数，可选择方法2）在芯片源极串联电感到地。在两个源极端口处串联一个电感到地，将变量放进原理图中，设置参数，完成电感的赋值。对电感值进行调整，以达到优化稳定性目的。设置变量可调，并确定待调电感的范围值；逐渐增减电感值，同时观察稳定性曲线，直到达到满意值为止。运用该方法虽然可以实现稳定，但是会明显降低噪声芯片的增益，因此必须在尽量减小电感的情况下保持芯片仍然稳定。原理图中的馈电模块用的是理想DC-Feed模块，没有考虑寄生的感容值。可将DC_Feed原件换掉，换成实际的磁珠电感。对于这样的扼流电感，一般选择大的电感值，此处选择100 nH。并将其他电感和电容均换ADS2013自带的春田电容库电感和电容值。修改后的原理图，通过手动优化电感值，最终选择5 nH，优化结果如图3所示。

3  阻抗匹配

3.1  输入阻抗匹配

低的噪声系数是放大器设计首要考虑的目标，电路噪声系数的好坏直接取决于其输入电路的匹配，输出电路的匹配只是影响电路的增益[6]。为了更好地了解电路噪声系数的大小，ADS仿真软件提供了强大的计算模块，可直接计算低噪声芯片的理想最小噪声系数以及设计电路实际达到的噪声系数值。设置S-Parament仿真控件为单频点仿真，频点为500 MHz。ADS提供了很多的匹配工具，为了更好地理解最小噪声系数的意义，采用SMITH圆图匹配工具DA_SmithChartMatch的匹配方法。设置源和负载的阻抗，采用LC网络匹配，生成相应的电路。在扫频模式下，仿真此时的原理图，设置仿真频率为300～700 MHz。观察最新噪声系数曲线与实际噪声系数曲线的关系。从图4结果看到整个频带的噪声系数在500 MHz附近已经达到最优化。

3.2  输出阻抗匹配

低噪声放大器只有输入匹配电路对噪声系数有影响，输出阻抗匹配的目的就是在噪声系数比较低的情况下，尽可能地提高电路的增益[7-8]。

低噪声放大器在整个接收通路中位于最前端，它的增益越高，整个电路的整体噪声系数就越接近这一级低噪声放大器的噪声系数。同输入电路的匹配过程一样，由显示曲线可以得到阻抗为48.414-j*17.957，为了达到最大增益，输出匹配电路需要把50 Ω匹配到Zin1的共轭，匹配后的S22阻抗值的实部为50 Ω附近，虚部接近零值，如图5所示。输出端的回波损耗很好，但输入端的回波损耗变差。输入端的回波损耗可以通过让输出端稍微失配来改善，也可以通过后面的优化功能来改善。

4  整机仿真及优化

对输入输出都进行匹配后的噪声系数和增益基本达到设计要求，但是整体的输入和输出驻波的特性不是太好，由于前面仿真出来的曲线与设计值偏差较大，特别是S11的值不太理想，可以利用ADS中的优化功能对部分参数变量进行优化，通过设计预期目标，系统会自动更改变量值，直到满足设计目标。优化控件不需要单独设置，但需要增加用于自动调整的变量。在仿真优化中，由于工作点等已经仿真过，无须再次优化，只需要对输入输出匹配的微带线进行优化。每一个目标都需要单独添加，如S22优化目标设置为工作频段-24 dB以下，需要设置的工作频率范围，此处设置为300～700 MHz。按照以上步骤继续添加其他S参数以及稳定性等目标。自动调整变量和目标添加完成以后，就可以开始优化。在优化过程中，如果优化目标迟迟不能接近，可以考虑加大变量的边界，或者更改变量的个数，最终的仿真优化结果包括S参数、最大增益及稳定性。得到系统在工作频率范围的驻波都在-20 dB以下，增益及噪声系数都满足设计要求。

5  替换实际厂家型号电容和电感

以上电路中的电感和电容值，都是仿真软件为了达到优化目标而自动生成的值，实际产品的电感和电容值可能对应不上，因此需要用实际型号的电容和电感替换掉目前的理想模型。

ADS软件自带一些厂家的电容和电感模型，但不全，因此需要先去厂家官网下载相应的模型库。本设计选取的都是日本春田公司的电容电感，下载其器件库至本地文件夹。通过ADS软件将其添加到工程中。在替换之前，先观察目前电路的增益和噪声系数情况，为了方便观察，可以在原理图的输入端增加一个实际的输入源，观察输出端的信号频谱和时域波形，可以直观地感受到该放大器的信号放大功能。观察时域波形，输入信号最大峰值为33 mV，经过放大器放大以后，峰值为264 mV；再分别添加直方图，选择频谱、噪声系数和S参数；替换输出匹配电路，再次进行仿真。由图6～图9可以看出输出信号的最大幅度为248 mV，相对降低了一些，这是由于实际电容和电感值与理想值不同，导致输出端存在些许的失配造成的，然而整个电路的性能还是基本能够达到指标要求，不需要手动对电感和电容值进行调整。

6  结束语

对500 MHz低噪声小信号放大器实验借助ADS强大的设计功能完成的仿真设计，达到指标要求，替代传统的由经验丰富的射频工程师多次调试、多次改版、反复试验方法，具有很强的实际工程操作性，可以拓展学生知识面，领会无线通信中的实际设计要领，激发学习兴趣。

参考文献

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[3] 程知群，轩雪飞，刘国华.宽带F类功率放大器的设计[J].微波学报，2017，33（4）：55-58.

[4] 宁宁，王招娣.基于Smith圆图的分布式匹配电路设计[J].信息通信，2017，15（4）：13-14.

[5] 卢益锋.ADS射频电路设计与仿真学习笔记（配视频教程）[M].北京：电子工业出版社，2015：89-95.

[6] 徐兴福.ADS2011射频电路设计与仿真实例[M].北京：电子工业出版社，2014：65-70.

[7] 牛吉凌，康弘俊.一种基于ADS仿真的射频放大器设计方法[J].通信技术，2015，48（4）：489-494．

[8] 高金辉，苏明坤，李迎迎．基于ADS仿真的射频功放设计[J]．河南师范大学学报（自然科学版），2011，39（6）：48-50，144.