微波低噪聲放大器的設計及ADS的仿真設計

0引言

隨著通訊工業(yè)的飛速發(fā)展，人們對各種無線通訊工具的要求也越來越高。功率輻射小、作用距離遠、覆蓋范圍大已成為各運營商乃至無線通訊設備制造商的普遍追求，而這也同時對系統的接收靈敏度提出了更高的要求。

1 微波低噪聲放大器的作用

一般情況下，一個接收系統的接收靈敏度可由以下計算公式來表示：



由上式可見，在各種特定(帶寬B_W、解調S／N已定)的無線通訊系統中，能有效提高靈敏度的關鍵因素就是降低接收機的噪聲系數NF，而決定接收機噪聲系數的關鍵部件則是處于接收機最前端的低噪聲放大器。

圖1所示是接收機射頻前端的原理框圖。由圖1可見，低噪聲放大器的主要作用是放大天線從空中接收到的微弱信號，降低噪聲干擾，以供系統解調出所需的信息數據，所以，低噪聲放大器的設計對整個接收機來說是至關重要的。



2 微波低噪聲放大器的主要技術指標

2.1噪聲系數

噪聲系數的定義為放大器輸入信噪比與輸出信噪比的比值，即：



對單級放大器而言，其噪聲系數的計算為：



其中F_min為晶體管最小噪聲系數，是由放大器的管子本身決定的，Γ_opt、R_n和Γ_s分別為獲得F_min時的最佳源反射系數、晶體管等效噪聲電阻以及晶體管輸入端的源反射系數。

對多級放大器。其噪聲系數的計算應為：



其中N_Fn為第n級放大器的噪聲系數，G_n為第n級放大器的增益。

對噪聲系數要求較高的系統，由于噪聲系數很小，用噪聲系數表示很不方便，故常用噪聲溫度來表示，噪聲溫度與噪聲系數的換算關系為：


其中T_e為放大器的噪聲溫度，T₀=290⁰K，N_F為放大器的噪聲系數。



2.2 放大器增益

放大器的增益定義為放大器輸出功率與輸入功率之比：

G=P_out／P_in (7)

通常提高低噪聲放大器的增益對降低整機的噪聲系數非常有利，但低噪聲放大器的增益過高會影響整個接收機的動態(tài)范圍。所以，一般來說，低噪聲放大器的增益確定應與系統的整機噪聲系數、接收機動態(tài)范圍等結合起來考慮。

2.3 反射系數

由式(3)可知，當Γ_s=Γ_opt時，放大器的噪聲系數最小，N_F=N_Fmin，但此時從功率傳輸的角度來看，輸入端會失配，所以，放大器的功率增益會降低，但有些時候，為了獲得最小噪聲，適當的犧牲一些增益也是低噪聲放大器設計中經常采用的一種辦法。

另外，低噪聲放大器的輸入輸出駐波比、動態(tài)范圍、工作頻率、工作帶寬及帶內增益平坦度等指標也很重要，設計時也需加以考慮。

3 電路仿真設計

本電路設計要求的頻率范圍為1.95～2.05GHz，噪聲系數：為Nf應小于2 dB，帶內增益為G大于10 dB，輸入，輸出阻抗為50 Ω?，F以上述指標來進行電路晶體管的選擇以及ADS仿真。

3.1 晶體管的選擇

根據放大器的性能要求，本設計選用HP公司的AT-41511作為核心器件來進行設計。由于在ADS軟件中包含有這種型號晶體管的器件模型，因此，在設計和仿真過程中可以直接使用，而不必再自己建造器件模型。

3.2 ADS仿真綜合指標的實現

仿真時，可將噪聲系數、放大器增益、穩(wěn)定系數全部加入優(yōu)化目標中進行優(yōu)化，并通過對帶內放大器增益的限制來滿足增益平坦度指標，最終達到各個指標要求。反復調整優(yōu)化方法并優(yōu)化目標中的權重(Weight)，也可以對輸入匹配網絡進行優(yōu)化。但是，對部分電路指標的優(yōu)化也可能導致其它某些指標的惡化，此時可以根據需要增加一些優(yōu)化變量。

圖2所示是經過一次隨機優(yōu)化的S參數圖。


仿真結果表明，該電路基本上已經達到了比較好的性能，且具有良好的輸入輸出匹配，較高的增益和穩(wěn)定系數，同時噪聲系數也比較好。

3.3 封裝模型仿真設計

進行完sp模型設計以后，還需要將sp模型替換為封裝模型來做進一步設計。具體需要進行的工作如下：

(1)將sp模型替換為封裝模型；

(2)選擇直流工作點并添加偏置電壓；

(3)進行饋電電路的設計(電阻分壓、扇形線、高阻線等的使用)；

(4)替換為封裝模型后各項參數可能會有所變化，如不滿足技術指標，還可以對封裝模型的原理圖再進行仿真優(yōu)化。

設計封裝模型時?？捎脠D3所示的電路來對器件的I-V特性進行仿真，以選擇其直流工作點。



在設計偏置電路時，為了防止交流信號對直流電源的影響，可在電源與饋電點之間添加1／4波長的高阻線以遏制交流信號。如果電路中有終端短路的微帶線，為了避免直流短路，還應在接地端插入隔直電容。

4 結束語

從仿真設計的過程可以看到，使用Agilent公司的ADS軟件進行射頻電路設計、仿真和優(yōu)化是非常方便的。它含有豐富原理圖模型庫、多種仿真分析方式和一系列使用簡便而功能強大的設計工具。這都可使復雜的射頻電路設計工作變得簡便快捷，省去了大量人工計算設計的過程，提高了設計工作效率。本文給出的微波低噪聲放大器的設計還是比較成功的，基本達到了指標要求。

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