齐齐哈尔大学
综合实践（论文）
题目基于ADS的低噪声放大器设计与仿真学院通信与电子工程学院
专业班级 xxxxxxxx 学生姓名 xxxxxxx 学生学号 xxxxxxxxxxx 指导教师 xxxxx
摘要：低噪声放大器，实质上就是噪声系数很低的放大器。一般用作各类无线电接收机的高频或中频前置放大器，以及高灵敏度电子探测设备的放大电路。噪声放大器主要面向移动通信基础设施基站应用，例如收发器无线通信卡、塔顶放大器、组合器、中继器以及远端/数字无线宽带头端设备等应用设计。本次课程设计的主要目的是熟练运用先进设计系统（ADS）仿真软件设计一个基于BJT的低噪声放大器，其仿真结果能够实现放大微弱信号，从而降低噪声干扰。在接收机或各种特定的无线通信系统中，能有效提高灵敏度的关键因素就是降低接收机的噪声系数，而决定接收机的噪声系数的关键部件就是处于接收机最前端的低噪声放大器。因此，低噪声放大器的设计对整个接收机来说是至关重要的。
关键词：低噪声放大器先进设计系统双极结型晶体管噪声系数接收机
目录
摘要......................................................................................................................................................... I
第一章绪论 (1)
1.1 概述 (1)
1.2 低噪声放大器的应用 (1)
1.3 本文课程设计实验目的及意义 (1)
1.3.1 实验设计目的 (1)
1.3.2 实验设计意义 (1)
第二章低噪声放大器基础 (2)
2.1 低噪声放大器的功能和指标 (2)
2.2 软件设计仿真时注意事项 (2)
第三章低噪声放大器的设计与仿真 (3)
3.1 晶体管直流工作点的扫描 (3)
3.1.1 建立工程 (3)
3.1.2 晶体管工作点扫描 (3)
3.2 晶体管的S参数扫描 (5)
3.3 SP模型的仿真设计 (8)
3.3.1 构建原理图 (8)
3.3.2 SP模型仿真 (9)
3.3.3 输入匹配设计 (10)
3.4 综合指标的实现 (15)
3.4.1 放大器稳定性分析 (15)
3.4.2 噪声系数分析 (16)
3.4.3 输入驻波比与输出驻波比 (16)
第四章封装模型仿真设计 (18)
4.1 直流偏置网络设计 (18)
4.1.1 偏置网络计算 (18)
4.1.2 偏置网络仿真 (19)
4.2 封装模型的仿真 (20)
4.2.1 重新建立原理图 (20)
4.2.2 参数仿真 (20)
结论 (22)
参考文献 (23)
致谢 (24)
第一章绪论
1.1 概述
低噪声放大器，噪声系数很低的放大器。一般用作各类无线电接收机的高频或中频前置放大器，以及高灵敏度电子探测设备的放大电路。在放大微弱信号的场合，放大器自身的噪声对信号的干扰可能很严重，因此希望减小这种噪声，以提高输出的信噪比。
1.2 低噪声放大器的应用
噪声放大器(LNA)主要面向移动通信基础设施基站应用，例如收发器无线通信卡、塔顶放大器(TMA)、组合器、中继器以及远端/数字无线宽带头端设备等应用设计，并为低噪声指数(NF, Noise Figure)立下了新标杆。
1.3 本文课程设计实验目的及意义
1.3.1 实验设计目的：
1.了解微波低噪声放大器的概念及原理；
2.了解微波低噪声放大器的技术指标和设计方法；
3.掌握使用ADS软件进行微波有源电路的设计、仿真与优化。
1.3.2 实验设计意义：
低噪声放大器能放大微弱信号，降低噪声干扰。在接收机或各种特定的无线通信系统中，能有效提高灵敏度的关键因素就是降低接收机的噪声系数，而决定接收机的噪声系数的关键部件就是处于接收机最前端的低噪声放大器。因此，低噪声放大器的设计对整个接收机来说是至关重要的。
第二章低噪声放大器基础
2.1 低噪声放大器的功能和指标
一、功能：低噪声放大器的主要作用是放大天线从空中接收到的微弱信号，降低噪声干扰，所以低噪声放大器的设计对整个接收机来说是至关重要的。
二、指标：主要指标包括：噪声系数，放大增益，输入输出驻波比，反射系数和动态范围等。
2.2 软件设计仿真时注意事项
在进行低噪声放大器的实际设计中，一定要注意一下几点：
（1）放大器中放大管的选择。
（2）仿真时模型的选择：
（一）晶体管：
SP模型：属于小信号线性模型，模型中已经带有了确定的直流工作点，和在一定范围内的S参数，仿真时要注意适用范围。SP模型只能得到初步的结果，对于某些应用来说已经足够，不能用来做大信号的仿真，或者直流馈电电路的设计，不能直接生成版图。
大信号模型：可以用来仿真大、小信号，需要自行选择直流工作点，仿真时要加入馈电电路和电源。带有封装的大信号模型可以用来生成版图。
（二）集总参数元件：电容、电阻、电感
在进行电路优化时，可直接选用参数连续变化的模型。
（3）输入输出匹配电路的设计原则。
（4）电路中需要注意的问题：
一般对于低噪声放大器采用高Q值的电感完成偏置和匹配功能，由于电阻会产生附加的热噪声，放大器的输入端尽量避免直接连接到偏置电阻上。
（5）目前低噪声放大器方面的设计手段：LNA基本上采用ADS。
（6）在系统设计最后，需要把这些优化过的元件替换为器件库中系列中的元件才是可以制作电路、生成版图的。替换时选择与优化结果相近的数值，替换后要重新仿真一次，检验电路性能是否因此出现恶化。
下面开始在仿真软件中设计一个基于BJT的低噪声放大器。
第三章低噪声放大器的设计与仿真
3.1 晶体管直流工作点的扫描
3.1.1 建立工程
（1）运行ADS2009，选择File →New Project命令，弹出“New Project”（新建工程）对话框，可以看见对话框中已经存在了默认的工作路径（可以改变）。并且在Project Technology Files栏中选择“ADS Standard：Length unil—millimeter”。
（2）单击OK，完成新建工程，此时原理图设计窗口会自动打开。
注：原理图设计窗口打开之前，会弹出如图3-1窗口。单击Cancel即可。
图3-1
3.1.2 晶体管工作点扫描
（1）File →New Design…在工程中新建一个原理图。
（2）在新建设计窗口中给新建的原理图命名，这里命名为bjt_curve;并在Schematic Design Temples栏中选择“BJT_curve_tracer”,这是一个专门用来扫描BJT工作点的模板。如图3-2所示。
图3-2
（3）单击OK，此时新的原理图窗口被打开，窗口中已经出现一个专门用于对BJT 进行直流工作点扫描的模板，会有系统预先设好的组件和控件，如图3-3。
对BJT进行工作点扫描的过程就是一个直流仿真的过程，因此模板中的仿真控制器为直流仿真控制器，而扫描的变量是BJT的CE极电压VCE和B极电流IBB。
图3-3
（4）单击工具栏中的Display Component Library List,打开元件库，图3-4。
图3-4
(5)在Component上栏的Serch中,输入41511。
(6)回车查找结束后可以看到这种晶体管的不同模型:以sp为开头的是S参数模型,这种模型不能用来做直流工作点扫描。选择pb开头的模型pb_hp_AT41511_19950125,右键单击该模型，选择Place Component，切换到Design窗口，放入晶体管。
（7）将BJT元件与原来原理图窗口中的BJT_curve_tracer模板原理图按照下图3-5的方式连接起来。由于此晶体管发射极有两个管脚，在此处接一个即可。
图3-5
（8）这样对晶体管进行直流工作点扫描的电路就完成了，单击工具栏中的Simulate执行仿真，并等待仿真结束。电路图如图3-6所示。
图3-6
（9）仿真结束后，系统弹出数据显示窗口，如图3-7。由于使用的是仿真模板，需要的仿真结果已经出现在窗口中，图中就是BJT的直流工作点扫描曲线以及BJT的直流工作点和功耗。
图3-7
3.2 晶体管的S参数扫描
选定晶体管的直流工作点后，下面就可以进行晶体管的S参数扫描了，我们选用的S参数模型sp_hp_AT-41511_2_19950125,这一模型对应的工作点为Vce=2.7V，Ic=5mA。
（1）按照前面所述方法新建一个原理图，新建的原理图命名为SP_of_spmod;并在Schematic Design Temples栏中选择“S-Params”。
（2）单击OK后，生成新的原理图，如图3-8所示，原理图中是一个S参数仿真的模板。
图3-8
（3）同前操作一样，加入sp模型的晶体管sp_hp_AT-41511_2_19950125,并按图3-9连接电路。可以看出，由于sp模型本身已经对应于一个确定的直流工作点，因此在做S参数扫描的时候无需加入直流偏置。
图3-9
（4）观察sp模型晶体管的参数显示，在此例中，标定的频率适用范围为0.1～5.1GHz，在仿真的时候要注意。超出此范围，虽然软件可以根据插值等方法外推出电路的特性，但是由于模型已经失效，得到的数据通常是不可信的。因此，需要对S参数仿真模板中的频率扫描范围进行更改。
（5）双击模板中的S参数仿真控制器，在参数设置窗口中按照如下内容进行参数设置：（一）、Start=0.10GHz,表示扫描的起始频率为0.1GHz，由SP模型的起始频率决定。（二）、Stop=5.1GHz，表示扫描的终止频率为5.1GHz，由SP模型的终止频率决定。（三）、Step=0.05GHz，表示扫描的频率间隔为0.05GHz。完成设置的S参数仿真空间如图3-10所示。
图3-10
（6）这样对晶体管进行S参数扫描的电路就完成了，单击工具栏中的Simulate 执行仿真，并等待仿真结束。
（7）仿真结束后，系统弹出数据显示窗口，由于使用的是仿真模板，需要的仿真结果已经出现在窗口中，途中的史密斯圆图中就是BJT模型的S11参数和S22参数，它们分别表示了BJT的输入端口反射系数和输出端口反射系数。
（8）再次观察数据显示窗口，图3-11中列出了BJT模型的S21参数和S12参数，它们分别表示了BJT的正向和反向的功率传输参数。
图3-11
（9）接着在数据显示窗口中插入一个关于S11的数据列表，这样就可以观察在每个频率处的S11参数的幅度和相位值了。
（10）双击原理图中的S参数仿真控制器，选中其中的Calculate Noise选项，单击OK 后，再次执行仿真。
（11）仿真结束后，在数据显示窗口中插入一个关于nf（2）的矩形图，如下图3-12。
这样就完成了对BJT模型的S参数的扫描，这些数据对后面使用这个元件进行低噪声放大器的设计很有帮助。
图3-12
3.3 SP模型的仿真设计
很多时候，在对封装模型进行仿真设计前，通过预先对SP模型进行仿真，可以获得电路的大概指标。SP模型的设计，通常被作为电路设计的初级阶段。下面将首先设计BJT的S参数模型sp_hp_AT-41511_2_19950125在2GHz处的输入，输出匹配。
3.3.1 构建原理图
首先对SP模型仿真的原理图进行构建，具体过程如下：
（1）在工程中新建一个原理图文件，命名为spmod_LNA，在Schematic Design Temples中不选择模板。
（2）单击OK后，新的原理图生成，并在原理图中插入仿真需要的电路元件和控件。
（3）在Component Library List中选择BJT的S参数模型sp_hp_AT-41511_2_19950125并插入到原理图中。
（4）在Simulation-S_Param在元件面板中选择两个终端负载元件Term1，Term2并插入到原理图中。
（5）单击工具栏中的GROUND按钮，在原理图中擦汗如两个地线。
图3-13
（6）按照上图3-13的方式，将上面的元件连接起来。
(7）在Simulation-S_param元件面板中选择输入阻抗测量空间Zin，并插入到原理图中。
（8）在原理图中插入一个S参数仿真控件，它的参数设置与前面晶体管的S参数扫描相同，这样就完成了仿真原理图搭建。如图3-14所示。
图3-14
3.3.2 SP模型仿真
下面对刚刚搭建的原理图进行仿真，仿真的过程如下：
（1）单击工具栏中的Simulate按钮进行仿真，并等待仿真结束。
（2）仿真结束后，系统弹出数据显示窗口，在窗口中插入一个关于输入阻抗Zin1的数据列表。
（3）单击工具栏中的数据列表Scroll data one page toward the end，将数据列表中的数据滚动到freq=2.000GHz处，可以观察到此时SP模型的输入阻抗为
20.083/19.829，这种幅度/相位的表示方式并不容易观察和计算，图表3-15。
表3-15
（4）双击数据列表，在弹出的Plot Traces&Attributes窗口中双击Zin1，系统
弹出Traces Options。
（5）将窗口中的Complex Data Format中的Mag/Degrees改为图中的Real/Imaginary并单击Ok确定，如图3-16。
（6）这时可以观察到。当freq=2.000GHz时，SP模型的输入阻抗为18.892+j6.813.这样就计算出了电路的输入阻抗，接下来根据输入阻抗的值为SP模型设计匹配网络，如图表3-17。
图3-16 表3-17
3.3.3 输入匹配设计
本部分将为SP模型设计一个输入的匹配网络，匹配网络是采用微带线实现的。具体过程如下。
（1）选择TLines-Microstip元件面板，并在其中选择微带线参数配置工具MSUB 并插入到原理图中。
（2）双击MSUB控件，按照如图3-18设置微带线参数。
（3）选择Passive Circuit DG-Microstip Circuit元件面板，面板中是各种类型的微带匹配电路，选择采用单分支线匹配电路SSMtch,并插入到原理图中。
（4）双击SSMtch电路，按图3-19设置。
图3-18 图3-19
（5）前面仅对SSMtch的频率，阻抗参数进行设置，但并没有根据这些参数调整它的尺寸参数，调整尺寸参数需要使用ADS的设计向导完成。
（6）选中SSMtch电路，并单击菜单栏中的DesignGuid>Passive Curcuit，此时
系统弹出Passive Curcuit DesignGuide窗口。
（7）选择Passive Curcuit DesignGuide窗口中的Design Assistant选项卡，并单击Design系统将自动完成设计过程。
（8）设计完成后，单击工具栏中的Push Into Hierarchy，进入SSMtch的子电路。从图3-20中可以看到组成SSMtch电路的各段微带线的参数。其中的T形接头为计算时考虑阻抗突变引起的。在实际电路中并不代表任何实际长度的电路，具体含义请参考帮助文档。
（9）单击工具栏中的PopOut，返回SP仿真原理图中，将刚刚设计的匹配电路插入到所示的电路中，作为输入匹配电路。
图3-20
（10）电路连接完成后，单击工具栏中的Simulate执行仿真，并等待仿真结束，如图3-21。
图3-21
（11）仿真结束后在数据显示窗口中查看电路的S11参数和S22参数的史密斯圆图，并在频率2GHz处分别插入标记，如图3-22和3-23。
图3-22 图3-23
从上图中可以看出，对于输入端口来说，反射系数已经很小了，并且输入阻抗也接近负载阻抗50欧姆；但对于输出端口来说，反射系数仍然不是很小，且输出阻抗与负载阻抗还有一定的差距。
（12）观察数据显示窗口中关于S12和S21的矩形图。从图中可以看出，S12参数和S21参数也有一定的改善，如图3-24和3-25所示。
图3-24 图3-25
（13）在数据显示窗口3-26中查看输入阻抗Zin1的数据列表。从图中可以看出，当频率为2GHz是，电路的输入阻抗接近50欧姆。由以上的仿真结果可见，电路基本上已经达到了较好的性能，如：良好的输入匹配较高的增益，稳定系数和噪声系数。但另一方面，输出匹配设计匹配还不太好，电路的增益也可进一步的提高。下面就进形输出阻抗匹配设计的。
表3-26
对于输出也是用单分支线的结构进行匹配，为了方便后面对放大器参数优化，这里直接用微带电路搭建一个输出匹配电路，具体过程如下：
（1）在TLines-Microstrip元件板中选择两个MLIN，一个MTEE和一个MLEF，并插入到原理图中。
（2）将它们的放置方式进行调整，并按照图3-27中的形式连接起来，组成输出匹配网络。
（3）在原理图设计窗口中的菜单栏中选择Tools>Lincalc>StartLincalc命令，打开微带线计算工具，计算出当前状况下特性阻抗为50欧姆的微带线宽度为1.588mm。
图3-27
（4）很明显，这个匹配网络的参数需要调整，以适合输出端口的匹配。TLIN1和TLIN2中的L=2.5mm {2.0mm to 40mm},表示微带线默认线长为2.5mm，但是它是一个优化参数，优化范围为2.0mm到40mm。
（5）完成微带线的设置后，将输出匹配网络连接到SP模型电路去，如图3-28。
图3-28
（6）在原理图设计窗口的Optim/Stat/Yield/DOE元件面板列表中选择一个优化空间Optim并插入到原理图中，如图3-29所示。
（7）将Maxlters改为200。
（8）在Optim/Stat/Yield/DOE元件面板选择两个优化目标控件GOAL，并插入到原理图中，如图3-30。
（9）这里首先对S11参数和S22参数进行优化。
图3-29
图3-30
（10）这里的SimInstanceName选择了SP2也就是说需要一个新的S参数仿真控制器，并将其频率设置在2GHz附近。
（11）单击工具栏中的Simulate执行仿真，并等待仿真结束。
（12）仿真结束，结果如下图3-31所示。
图3-31
从上图3-31的结果可以看出，经过优化后，S11参数反而不如不加输出阻抗匹配网络前，这是由于加入匹配网络后，改变了原来电路的输入阻抗，使电路的输入阻抗不再为50欧姆。观察S22，S21和S12曲线，它们有了不同程度的改善。
（14）在一次优化完成后，要单击原理图窗口菜单中的Simulate>Update Optimization Values保存优化后的变量值（在VAR控件上可以看到变量的当前值），否则优化后的值将不保存到电路原理图中。如果得到的参数不满足要求，则需要反复调整优化方法，优化目标中的权重Weight，还可以对输入匹配网络进行优化，最终得到合适的结果。
3.4 综合指标的实现
完成了低噪声放大器S参数的分析，还需要分析放大器的噪声系数稳定性等参数，下面就对这些参数进行分析和优化。
3.4.1 放大器稳定性分析
首先来分析放大器的稳定性，放大器的稳定性是放大器的一个重要指标，如果电路稳定系数变得很小（低于0.9），则难以达到预期性能。
（1）在Simulation-S_ParamS_Param元件面板中选择一个稳定系数测量空间StabFct，并插入到原理图中，如图3-32。
图3-32
（2）使原理图设计窗口中的优化控件失效，并单击工具栏中Simulate执行仿真，等待仿真结束。
（3）如图3-33所示，从曲线看出，放大器的稳定系数都大于1，满足设计要求。
图3-33
3.4.2 噪声系数分析
数据显示窗口中插入一个关于nf（2）的曲线，从图3-34中可以看出低噪声放大器的噪声系数大约为1.9左右。
图3-34
3.4.3 输入驻波比与输出驻波比
（1）在Simulation-S_Param元件板中选择两个驻波比测量控件VSWR，并插入到原理图中，其中一个参数不变，另一的测量方程改为VSWR2=vswr(S22),如图3-35所示。
（2）单击Simulate按钮，等待仿真结束。