基于ADS的S波段平衡式寬帶低噪聲放大器設(shè)計(jì)

摘要：針對寬帶雷達(dá)接收前端的應(yīng)用，基于ADS軟件設(shè)計(jì)了一種S段平衡式寬帶低噪聲放大器。在軟件仿真中使用晶體管的Spice模型，在確定直流工作點(diǎn)后進(jìn)行輸入端的最小噪聲阻抗匹配和輸出端的最大增益阻抗匹配，最后給出了仿真結(jié)果和版圖設(shè)計(jì)。同時(shí)采用新型S波段90°寬帶功分器用于平衡式LNA的電路，大大提高了放大器的電性能，顯著減小了整個(gè)電路的尺寸。在此將原理圖一版圖聯(lián)合仿真用于LNA的設(shè)計(jì)優(yōu)化，將整個(gè)電路作為一個(gè)模型進(jìn)行EM分析，得出了一個(gè)可以比原理圖仿真更接近實(shí)際電路的結(jié)果，同時(shí)有效提高了產(chǎn)品的研發(fā)效率，縮短小了研制周期。
關(guān)鍵詞：平衡式放大器；ADS聯(lián)合仿真；90°。寬帶功分器；Spice模型

0 引言
隨著現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)的迅猛發(fā)展，對雷達(dá)性能的要求越來越高，低噪聲放大器(LNA)已被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)系統(tǒng)中，成為了雷達(dá)接收系統(tǒng)中必不可少的重要電路。低噪聲放大器位于雷達(dá)接收系統(tǒng)的前端，其主要功能是將來自天線的微弱信號進(jìn)行小信號放大。因?yàn)長NA位于整個(gè)接收放大電路的最前端，所以它的噪聲系數(shù)直接影響了整個(gè)雷達(dá)接收系統(tǒng)的噪聲系數(shù)和靈敏度。同時(shí)，LNA的輸入／輸出駐波比也影響著整個(gè)鏈路的性能。LNA不僅僅被應(yīng)用在雷達(dá)接收系統(tǒng)中，目前已被廣泛應(yīng)用于通信、電子對抗以及遙控遙測系統(tǒng)接收設(shè)備中。研制出性能優(yōu)良的微波低噪聲放大器對滿足市場需求具有重要意義。
ADS(Advanced Design System)是Agilent公司推出的微波電路和通信系統(tǒng)仿真軟件。其功能非常強(qiáng)大，仿真手段豐富多樣，可實(shí)現(xiàn)包括時(shí)域和頻域、數(shù)字與模擬、線性與非線性、噪聲等多種仿真分析手段，并可對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行成品率分析與優(yōu)化，從而大大提高了復(fù)雜電路的設(shè)計(jì)效率，是非常優(yōu)秀的微波電路、系統(tǒng)信號鏈路的設(shè)計(jì)工具。主要應(yīng)用于：射頻和微波電路的設(shè)計(jì)，通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，DSP設(shè)計(jì)和向量仿真。本文著重介紹如何使用ADS進(jìn)行低噪聲放大器的設(shè)計(jì)。

1 寬帶及平衡式放大器的設(shè)計(jì)理論
寬帶放大器的設(shè)計(jì)主要是解決補(bǔ)償品體管增益隨頻率增大而下降的問題。常用寬帶放大器主要有以下幾種：分布放大器、負(fù)反饋放大器、補(bǔ)償匹配網(wǎng)絡(luò)放大器和平衡式放大器。分布放大器使用器件過多，調(diào)試復(fù)雜，一般用于單片寬帶放大MMIC；負(fù)反饋放大器能反饋有平坦的增益并降低輸入／輸出電壓駐波比，但限制了最大功率增益并增加了噪聲系數(shù)；補(bǔ)償匹配網(wǎng)絡(luò)放大器中的匹配網(wǎng)絡(luò)還要為獲得小的輸入／輸出駐波比和噪聲等指標(biāo)服務(wù)，設(shè)計(jì)相當(dāng)困難，并且一般需要多級配合。平衡放大器雖然電路面積和耗電比單路放大器增加了一倍，但有良好的輸入／輸出駐波比以及增大3 dB的功率容量。成為寬帶放大器的一種重要形式。平衡式放大器常采用的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

進(jìn)入輸入耦合器端口1的功率在幅度上被分成兩部分，它們到達(dá)端口2和端口3的時(shí)候有90°相位差，而端口4沒有功率輸出。輸出耦合器通過引入90°的附加相移，使兩個(gè)放大器的輸出信號恢復(fù)同向，再把功率合成起來。這里將兩個(gè)放大器分別標(biāo)記為A，B，其S參數(shù)分別為，則整個(gè)放大器的S參數(shù)為：

式中1／2為耦合器的3 dB衰減；由于3端口有90°的相移，負(fù)號表示信號兩次經(jīng)過3端口所產(chǎn)生的180°總相移。如果放大器的兩個(gè)支路完全相同，則兩路放大器的S參數(shù)完全相同，則|S11|=|S22|=0，也就是平衡式放大器有很好的輸入／輸出駐波比性能，同時(shí)平衡式放大器的正向、反向增益等于每個(gè)支路的相應(yīng)增益。
對于LNA而言，由于耦合器的損耗，平衡式放大器的噪聲系數(shù)有相應(yīng)的增大。由公式：