周正 , 顧天夏 發表於 2020-12-15 08:49:00
從天線接收的微弱信號由處於射頻產品接收機前端的放大器進行放大，因此要求該放大器具有一定的增益和較小的噪聲係數。
本文藉助Agilent公司的射頻產品電路設計軟體ADS（Advanced Design System）進行輔助設計一款高增益低噪聲放大器（LNA），並對其進行了仿真驗證。
1 射頻產品放大器的組成
單級射頻產品放大器的組成如圖1所示，包括射頻產品電晶體放大電路和輸入、輸出匹配網絡三部分。
2 射頻放大器的設計
2．1 電晶體的選擇
選擇好電晶體器件對低噪聲放大器的設計至關重要。
根據工作頻率、增益和噪聲係數等指標要求，同時考慮到設計、仿真時便於得到相應的元器件模型，最終選用Avago公司的高電子遷移率電晶體（E-PHEMT）ATF-58143來進行設計（可以在Avago公司的網站上下載到ATF-58143的元件模型）。
2．2 偏置電路的設計
設計LNA首先需要確定靜態工作點，利用ADS中的「DC_FET_T」的模板可以很方便地仿真出其輸出特性曲線。再參考ATF-58143的datash eet，可以確定當Vds=3 V，Ids=35 mA時，各項設計指標滿足要求。
確定靜態工作點後，就要確定偏置電路的形式和參數。不需人工計算，藉助ADS中的設計嚮導工具（DesignGuide→Amplifier→Tools→ Transistor Bias Utility）可以輕易完成。因為ADS所提供的元件數值是非標稱的，所以需要設計者用與ADS提供的數值接近的標稱元件進行替代。偏置電路及各點靜態參數如圖2所示。
2．3 穩定性分析及改善
電晶體絕對穩定的條件是K》1，|△|1。其中：
如果這兩個條件不能同時得到滿足，電路將存在潛在的不穩定和振蕩的可能。對上述偏置條件下的電晶體進行穩定性仿真分析發現，在要求的工作頻段內其穩定係數K1，不滿足絕對穩定的條件。
通過引入負反饋的方式可以改善電路的穩定性，同時也能夠拓展工作帶寬。在輸出端和輸入端之間串聯RC電路引入負反饋，其中的R需要滿足條件：
同時在兩個源極加上小的電感引入負反饋進一步改善穩定性，該電感的值需反覆調節後方能確定。
對引入負反饋後的電路再次仿真，其工作頻帶內穩定係數K》1，滿足絕對穩定條件。
2．4 最小噪聲係數的輸入匹配電路設計，最大增益的輸出匹配電路設計
如果輸入匹配電路和輸出匹配電路使射頻產品器件的輸入阻抗Zin和輸出阻抗Zout都轉換到標準系統阻抗Zo，即Zin=Zo，Zout=Zo（或，如圖1所示）就可使器件的傳輸增益最高。但輸入、輸出匹配時，噪聲並非最佳。當ΓS=Γopt時，可以得最小的噪聲係數。
利用ADS可以很方便地繪製出等功率增益圓和等噪聲係數圓，如圖3所示。從圖中可以看出，如果從m2點匹配到標準系統阻抗，將可以使電路獲得最大的增益；如果從m3點匹配到標準系統阻抗，將可獲得最小的噪聲係數。顯然最大增益和最小噪聲係數不可同時得到。對於低噪聲放大器，首要的是考慮最小噪聲係數，因此對m3點進行匹配。借用ADS的自帶工具「Smith Chart Utility Tool」進行，只要在其中設置好頻率、源阻抗和目標阻抗值，就可以設計出所需要的輸入匹配電路。
在輸入端匹配完成以後，在原理圖中加入阻抗測量控制項測出輸出阻抗，再次使用「Smith Chart Utility Tool」將輸出阻抗匹配到標準系統阻抗，就可得到最大增益的輸出匹配電路。
當輸出端的匹配完成後，因為改變了從輸入端向裡看的等效阻抗Zin，輸入端的回波損耗會變差。為此，可以採用優化控制項對輸入端和輸出端的匹配電路進行同時的優化改進，也可以使用Tunig工具進行調節。
2．5 最終電路及仿真結果分析
匹配及優化後的電路如圖4所示，電路中各元件的作用分別是：C6、L6是輸入匹配電路；C7、L7是輸出匹配電路；L1、L5、C3、R5是反饋元件；L3、L4是扼流電感；C4、C5是隔直耦合電容；C1、C2是旁路電容。
需要說明的是，反饋電感L1、L5和匹配電路中的元件C6、L6、C7、L7等因為數值較小，在工程中常用微帶線來代替。
仿真結果如圖5所示。其工作帶寬達500 MHz，中心頻率處增益接近20 dB，輸入輸出反射損耗小於-10 dB，噪聲係數小於0．5 dB，穩定係數大於1。如果斷開反饋電路後再次仿真，會發現增益有所加大，但穩定係數將小於1，放大電路將不能正常工作。
3 結論
通過射頻產品低噪聲放大器的設計與仿真，可以看到使用ADS輔助設計電路，理論計算簡單，設計過程快速，參數修改容易，驗證方便，縮短了設計周期，提高了設計精度，在工程中具有實用價值。
責任編輯：gt
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