基于ＡＤＳ的Ｘ波段低噪声放大器的设计与仿真

摘 要：主要介绍了低噪声放大器的设计理论及用Agilent公司的ADS仿真软件进行X波段低噪声放大器的设计和仿真。在设计的过程中选择了NEC公司的HEMT管NE3210S01，HEMT管与FET相比较，其噪声系数更低，增益和工作频率更高。进行阻抗匹配采用的拓扑结构是并联导纳式结构，即利用串联微带传输线进行导纳变换，然后并联一个微带分支线，微带线的终端开路(或短路)，用其输入导纳作为补偿电纳，以达到电路匹配。最后给出了仿真结果、版图设计及实测结果。

关键词：噪声系数;S参数;低噪声放大器;ADS;匹配网络

中图分类号：TN95文献标识码：B文章编号：1004373X(2008)1905103

Design and Simulation X-band Low Noise Amplifier with ADS

LIU Ximing1,2

(1.Shanghai Jiaotong University,Shanghai,200030,China;2.Radar and Avionics Institute of AVIC,Wuxi,214063,China)

Abstract：The theory of designing a LNA,X-band LNA with Agilent ADS are ineroduced.Selecting the HEMT NE3210S01 of NEC Company.Comparing with HEMT and FET,its noise figure is much lower,gain and working frequency are much higher.The topology structure of match network is parallel connection admittance structure,namely using stripline to make admittance transformation,then merge a stripline branch line,the terminal of the stripline is open circuit(or short circuit),using input admittance as expiation of electricity admittance attains electric circuit.At last,offering the simulation results,the layout and the measured results.

Keywords：NF;S-parameter;low noise amplifier;ADS;match network

1 引 言

随着雷达技术的迅猛发展及对雷达性能的要求越来越高，低噪声微波放大器(LNA)已被广泛应用于雷达系统中，并且成为了雷达接收系统中必不可少的重要电路。低噪声放大器位于雷达接收系统的前端，其主要功能是将来自天线的微弱信号进行小信号放大。低噪声放大器的噪声系数的好坏直接影响了雷达接收系统的灵敏度。

LNA不仅仅被应用在雷达接收系统中，目前已被广泛应用于通信、电子对抗以及遥控遥测系统接收设备中，研制出性能优良的微波低噪声放大器对满足市场需求具有重要意义。

本文采用了Agilent公司的Advanced Design System(ADS)软件进行仿真设计。此软件能够提供各种微波射频电路的仿真和优化设计。本文着重介绍如何使用ADS 进行低噪声放大器的设计。

2 晶体管放大器的设计理论

一个晶体管可以用一个二端口网络来表示。利用晶体管的散射参数(S参数)以及一定偏置条件下的噪声参数，就可以开始进行晶体管放大器的设计了。图1为微波放大器的原理框图,放大器的输入匹配网络将信号源阻抗Z1(一般为50 Ω)变换到源阻抗，或者说变换到源反射系数ΓS。而放大器的输出匹配网络将阻抗Z2(一般也为50 Ω)变换到负载阻抗ZL，或者说，变换到负载反射系数ΓL。

3 X波段低噪声放大器的设计

低噪声放大器的设计与一般线性放大器设计的区别是：一般线性放大器为了获得高增益，每级放大器都要求进行功率匹配；而低噪声放大器的第一级必须进行最佳噪声匹配，中间级跟末级进行功率匹配以获得良好的噪声系数和增益特性。

一般来说，一个低噪声放大器可按如下步骤设计：

(1) 选择，器件的噪声系数应低于设计值，而增益(可以级联)应高于设计值；

(2) 计算器件的稳定因子K；

(3) 如果K>1，则选择和设计包括偏置电路在内的输入和输出匹配电路；

(4) 如果K<1，则在反射平面上给出不稳定区域，并选择和设计能避开不稳定区域的匹配网路。

(5)利用分析的方法或计算机辅助设计手段来计算放大器的性能，检验放大器在带内和带外的稳定性。

低噪声放大器的主要性能指标包括：噪声系数、放大增益、工作带宽、增益平坦度等，这些指标噪声系数和增益对整个系统的影响较大。

噪声系数的物理含义：信号通过放大器之后，由于放大器产生噪声，使信噪比变坏，信噪比下降的倍数就是噪声系数。噪声系数的定义如下：

Nf=Sin/NinSout/Nout

噪声系数用分贝数表示为：Nf(dB)=10lg Nf。

功率增益：微波放大器功率增益有多种定义，比如资用增益、实际增益、共轭增益等。对于实际的低噪声放大器，功率增益通常是指信源和负载都是50 Ω标准阻抗情况下实测的增益。实际测量时，常用插入法，即用功率计先测信号源能给出的功率P1；再把放大器接到信源上，用同一功率计测放大器输出功率P2，功率增益就是：G=P2/P1。

增益平坦度：就是指在工作频带内功率增益的起幅，常用最高增益与最小增益之差表示。

3.1 设计指标要求

频率范围：9～10 GHz;

增益：25±1.5 dB;

噪声系数： < 1.10 dB(不加隔离器测试);

驻波比：<1.5(加隔离器测试)。

3.2 晶体管及微带电路衬底的选择

晶体管选择NEC公司的HEMT管NE3210S01。生产厂家给出了晶体管在VDS=2V，ID=10 mA的条件下各频率点的S参数以及噪声参数。其中，在工作频率为10 GHz时，NF为0.32 dB，增益为14.7 dB。根据厂家提供的资料可知，用NE3210S01来设计的低噪声放大器是能够满足指标要求的，由于此LNA要求增益为25.5 dB±1 dB左右，所以准备用两级来完成设计。前级主要用于噪声匹配，后级主要用于功率匹配。

微带电路的电解质材料选择Rogers公司的RO4003。它的相对介电常数εr＝3.38±0.05，损耗角正切tan σ=0.002 7。

3.3 低噪声放大器的设计与仿真

3.3.1 匹配网络设计

由于采用的是两个相同的晶体管，可以直接开始匹配电路的设计，否则还需要根据晶体管的噪声估量来判断哪一个晶体管置于第一级，以获得较低的噪声系数。两级放大器的结构如图2所示。

图2 两级放大器的设计框图

3.3.2 匹配网络的计算机仿真

在设计匹配网络的时候，选择合理的拓扑结构对于低噪声放大器的设计至关重要。本文采用的拓扑结构是并联导纳式结构，即利用串联微带传输线进行导纳变换，然后并联一个微带分支线，微带线的终端开路(或短路)，用其输入导纳作为补偿电纳，以达到电路匹配。

设计完各部分的匹配电路之后，一般都需要用ADS进行优化。优化的时候一般可先采用 Random 优化，在达到比较好的效果时，再用Gradient 方法。为了达到比较理想的结果，可以反复修改优化的对象、方法和目标。

图3~图6是加上直流偏置电压最后的仿真结果(带隔离器仿真结果。隔离器指标：损耗：03 dB,驻波1：118 dB，驻波2：12 dB)。

图3 输入输出驻波比仿真结果

图4 稳定因子仿真结果

图5 增益仿真结果

图6 噪声系数仿真结果

3.3.3 低噪声放大器的版图

仿真完成后要根据结果用Protel软件绘制电路版图，最后获得的版图如图7所示。

图7 本次设计的低噪声放大器的版图

4 测试结果

低噪声放大器输入端和输出端没有加隔离器时测得噪声系数及增益如图8所示。

图8 未加隔离器测得噪声系数及增益

低噪声放大器输入端和输出端加隔离器时测得噪声系数及增益如图9所示。

低噪声放大器输入端和输出端加隔离器时测得S11及S22如图10所示。

图9 加隔离器测得噪声系数及增益

图10 输入输出驻波比

5 结 语

从以上仿真的结果可以看出，利用ADS的模型和强大的仿真环境，给设计带来了极大的方便。ADS软件包含了很多的元器件库和原理图模型，是个很好的电路设计的仿真工具。利用ADS电路仿真可以在设计中预先对电路进行优化，减小实际电路制造中的风险。

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