基于Multisim 10的射頻LNA仿真和設計

摘要：NI Multisim 10是著名的EDA軟件，其仿真功能非常強大，RF電路中LNA的設計是一個難題。使用Multisim設計RF LNA電路，利用虛擬網絡分析儀和Smith圓圖，對典型RF LNA電路的各種參數進行仿真測試，進而設計阻抗匹配網絡，優(yōu)化電路性能，在設計實踐中取得了很好的效果。這對于通信電子產品的設計，對于RF電路的教學和創(chuàng)新型實驗具有重要的意義。
關鍵詞：Multisim 10；RF LNA電路；仿真和設計；網絡分析儀；Smith圓圖；阻抗匹配

近年來，隨著科技的發(fā)展，便攜式數據終端(PDT)逐漸走人人們的生活，第3代移動通信(3G)、全球定位系統(tǒng)(GPS)、無線局域網(WIAN)以及衛(wèi)星微波等通信電子產品已走入人們的生活。這依賴于無線通信技術尤其是射頻(RF)和微波(WM)技術的發(fā)展，同時，也為射頻電路的仿真和設計提出了更高的要求。通常，人們以0．3 GHz到4～5 GHz(S帶)為射頻頻段，以4～8 GHz(C帶)或更高的頻段為微波頻段，射頻電路工作時會出現寄生效應，如電路的雜散電容、雜散電感、趨膚效應和電磁輻射等，其中的元器件只能作為分布式元器件來考慮。射頻電路的設計要求低噪聲、高增益、高穩(wěn)定性和輸入輸出阻抗匹配，設計時不僅要考慮射頻分立元器件或集成電路的選取，考慮射頻電路整體性能的協調，考慮高速印制電路板(PCB)的設計，還要依賴于設計者的個人經驗，依賴于用計算機射頻仿真工具進行仿真和實際儀器測量和驗證。
對于RF電路的設計而言，計算機電子設計自動化(EDA)工具是必不可少的。由于RF元器件的仿真模型設計比較困難，RF電路的計算機仿真還不太精準，所以，選取一款優(yōu)秀的RF電路仿真工具對于RF電路的設計是十分必要的。目前用的比較多的RF仿真設計工具是Agilent公司的ADS，ADS雖然功能強大，但因操作復雜初學者不易掌握。研究發(fā)現NI公司的Multisim射頻仿真功能也十分強大，Multisim是最常用的綜合性電路仿真工具，從早期的EWB5．0到Muhisim 11，能夠仿真的電路類型越來越多。Muhisim支持電路編輯，虛擬儀器測量，操作簡單方便，在教學、實驗和研發(fā)中具有不可替代的作用。Multisim的RF電路仿真模塊包含100多個RF元器件，利用Spice語言描述RF元器件特性，并且支持自定義RF Spice模型。RF虛擬儀器有頻譜分析儀和網絡分析儀，可以對RF雙端口電路進行仿真分析和設計。網絡分析儀可以測量雙端口網絡的各種特性參數，支持Smith圓圖測量S參數和Z參數，可以自動進行阻抗匹配網絡設計。下面以分立元件RF前端低噪聲放大器(LNA)的仿真和設計為例，使用Multisim 10中的網絡分析儀，以Smith圓圖為輔助工具，探討RF電路的仿真和設計方法。

1 理論分析和RF LNA電路的建立
RF LNA屬于典型的雙端口網絡，需要用網絡分析儀進行測量，Multisim中的虛擬網絡分析儀是效仿現實網絡分析儀HP8751A的一種虛擬儀表，功能十分全面，可以測量RF雙端口電路的S參數、H參數、Y參數、Z參數和穩(wěn)定因子，可以測量電路的功率增益、電壓增益和輸入輸出阻抗，可以進行阻抗匹配網絡分析，支持多種圖表顯示格式。在仿真測量中以Smith圓圖為輔助分析設計工具，可以在Smith圓圖中顯示電路的S參數、Z參數和穩(wěn)定性圓圖。設電路的歸一化輸入阻抗為z，反射系數為Γ，z和Γ都是復數，z=r+jx，Γ=Γr+jΓi，經過變換可以得到兩組圓的方程，這就是Smith阻抗圓圖。如果在Smith圓圖中測出電路的S參數，則可以計算出RF電路的增益、駐波比SWR、輸入輸出端反射系數、輸入輸出端回波損耗等，也可由網絡分析儀很方便的測量有關參數。

對于RF LNA電路的設計，要求低噪聲、高增益和高穩(wěn)定性，噪聲干擾主要是指熱噪聲和散彈噪聲，可以通過選取合適的RF元器件解決，高增益主要由多級電路解決。本電路選取低噪聲RF晶體管MRF947為核心信號放大元器件，單級共射放大器結構，信號源中心頻率為1 GHz，阻抗為50 Ω，負載阻抗為50Ω，要求電路有一定的增益和穩(wěn)定性，經計算得到其中的偏置電阻網絡，選用實際電阻R2=261 kΩ，R3=2.1 kΩ，使放大電路有合適的靜態(tài)工作點。在Muhisim 10中創(chuàng)建以上電路，接入網絡分析儀，如圖1所示。