基于Multisim 10的射頻LNA仿真和設(shè)計(jì)

摘要：NI Multisim 10是著名的EDA軟件，其仿真功能非常強(qiáng)大，RF電路中LNA的設(shè)計(jì)是一個(gè)難題。使用Multisim設(shè)計(jì)RF LNA電路，利用虛擬網(wǎng)絡(luò)分析儀和Smith圓圖，對(duì)典型RF LNA電路的各種參數(shù)進(jìn)行仿真測(cè)試，進(jìn)而設(shè)計(jì)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)化電路性能，在設(shè)計(jì)實(shí)踐中取得了很好的效果。這對(duì)于通信電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，對(duì)于RF電路的教學(xué)和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)具有重要的意義。
關(guān)鍵詞：Multisim 10；RF LNA電路；仿真和設(shè)計(jì)；網(wǎng)絡(luò)分析儀；Smith圓圖；阻抗匹配

近年來(lái)，隨著科技的發(fā)展，便攜式數(shù)據(jù)終端(PDT)逐漸走人人們的生活，第3代移動(dòng)通信(3G)、全球定位系統(tǒng)(GPS)、無(wú)線局域網(wǎng)(WIAN)以及衛(wèi)星微波等通信電子產(chǎn)品已走入人們的生活。這依賴于無(wú)線通信技術(shù)尤其是射頻(RF)和微波(WM)技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)，也為射頻電路的仿真和設(shè)計(jì)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(shí)會(huì)出現(xiàn)寄生效應(yīng)，如電路的雜散電容、雜散電感、趨膚效應(yīng)和電磁輻射等，其中的元器件只能作為分布式元器件來(lái)考慮。射頻電路的設(shè)計(jì)要求低噪聲、高增益、高穩(wěn)定性和輸入輸出阻抗匹配，設(shè)計(jì)時(shí)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(xié)調(diào)，考慮高速印制電路板(PCB)的設(shè)計(jì)，還要依賴于設(shè)計(jì)者的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，依賴于用計(jì)算機(jī)射頻仿真工具進(jìn)行仿真和實(shí)際儀器測(cè)量和驗(yàn)證。
對(duì)于RF電路的設(shè)計(jì)而言，計(jì)算機(jī)電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)工具是必不可少的。由于RF元器件的仿真模型設(shè)計(jì)比較困難，RF電路的計(jì)算機(jī)仿真還不太精準(zhǔn)，所以，選取一款優(yōu)秀的RF電路仿真工具對(duì)于RF電路的設(shè)計(jì)是十分必要的。目前用的比較多的RF仿真設(shè)計(jì)工具是Agilent公司的ADS，ADS雖然功能強(qiáng)大，但因操作復(fù)雜初學(xué)者不易掌握。研究發(fā)現(xiàn)NI公司的Multisim射頻仿真功能也十分強(qiáng)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(lái)越多。Muhisim支持電路編輯，虛擬儀器測(cè)量，操作簡(jiǎn)單方便，在教學(xué)、實(shí)驗(yàn)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(gè)RF元器件，利用Spice語(yǔ)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(wǎng)絡(luò)分析儀，可以對(duì)RF雙端口電路進(jìn)行仿真分析和設(shè)計(jì)。網(wǎng)絡(luò)分析儀可以測(cè)量雙端口網(wǎng)絡(luò)的各種特性參數(shù)，支持Smith圓圖測(cè)量S參數(shù)和Z參數(shù)，可以自動(dòng)進(jìn)行阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。下面以分立元件RF前端低噪聲放大器(LNA)的仿真和設(shè)計(jì)為例，使用Multisim 10中的網(wǎng)絡(luò)分析儀，以Smith圓圖為輔助工具，探討RF電路的仿真和設(shè)計(jì)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(wǎng)絡(luò)，需要用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)量，Multisim中的虛擬網(wǎng)絡(luò)分析儀是效仿現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)分析儀HP8751A的一種虛擬儀表，功能十分全面，可以測(cè)量RF雙端口電路的S參數(shù)、H參數(shù)、Y參數(shù)、Z參數(shù)和穩(wěn)定因子，可以測(cè)量電路的功率增益、電壓增益和輸入輸出阻抗，可以進(jìn)行阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)分析，支持多種圖表顯示格式。在仿真測(cè)量中以Smith圓圖為輔助分析設(shè)計(jì)工具，可以在Smith圓圖中顯示電路的S參數(shù)、Z參數(shù)和穩(wěn)定性圓圖。設(shè)電路的歸一化輸入阻抗為z，反射系數(shù)為Γ，z和Γ都是復(fù)數(shù)，z=r+jx，Γ=Γr+jΓi，經(jīng)過(guò)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(cè)出電路的S參數(shù)，則可以計(jì)算出RF電路的增益、駐波比SWR、輸入輸出端反射系數(shù)、輸入輸出端回波損耗等，也可由網(wǎng)絡(luò)分析儀很方便的測(cè)量有關(guān)參數(shù)。

對(duì)于RF LNA電路的設(shè)計(jì)，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(guò)選取合適的RF元器件解決，高增益主要由多級(jí)電路解決。本電路選取低噪聲RF晶體管MRF947為核心信號(hào)放大元器件，單級(jí)共射放大器結(jié)構(gòu)，信號(hào)源中心頻率為1 GHz，阻抗為50 Ω，負(fù)載阻抗為50Ω，要求電路有一定的增益和穩(wěn)定性，經(jīng)計(jì)算得到其中的偏置電阻網(wǎng)絡(luò)，選用實(shí)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(diǎn)。在Muhisim 10中創(chuàng)建以上電路，接入網(wǎng)絡(luò)分析儀，如圖1所示。