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宽带低噪声放大器的设计摘要:低噪声放大器(LNA)是雷达、通信、电子对抗、遥测遥控等电子系统中关键的微波部件，有广泛的应用价值。
本文在给出了低噪声放大器的主要技术指标及低噪声放大器的设计方法的基础上,采用负反馈技术，并使用ADS2003C 对整个匹配网络进行优化设计，实现了在0.35-2.5GHz 的超宽带频率范围的低噪声放大器的设计。
关键词：低噪声放大器（LNA ）、负反馈、噪声系数0、引言：系统接收灵敏度的计算公式如下：S= -174+ NF+10㏒BW+S/N由上式可见，在各种特定（带宽、解调S/N 已定）的无线通讯系统中，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NF ，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。
下图1为二端口网络示意图：图1为二端口网络示意图 根据戴维南定理，输入输出匹配网络以及多级放大器的级间匹配网络，都可以归结为图 1 所示的无源二端口网络的设计，当Z S ，Z L 之中有一个是纯电阻时，称为单端口匹配问题；当Z S ，Z L 均为复数阻抗时，称为双端匹配问题。
在微波多级放大器电路中，匹配网络一般由传输线，无耗集总元件构成。
本文经过对低噪声放大器的各种重要参数进行分析，结合指标要求，采用负反馈技术设计宽带低噪声放大器。
然后使用仿真软件ADS2003C ，对放大器的匹网络进行优化设计，得出了符合指标的匹配网络，提高了设计效率。
1.低噪声放大器的主要技术指标1.1噪声系数NF放大器的噪声系数NF 可定义如下out out in in N S N S NF // （1）式中，NF 为微波部件的噪声系数；S in ，N in 分别为输入端的信号功率和噪声功率；S out ，N out 分别为输出端的信号功率和噪声功率。
噪声系数的物理含义是：信号通过放大器之后，由于放大器产生噪声，使信噪比变坏；信噪比下降的倍数就是噪声系数。
通常，噪声系数用分贝数表示，此时)lg(10)(NF dB NF = （2）对单级放大器而言，其噪声系数的计算为：（3）1.2放大器增益G放大器的增益定义为放大器输出功率与输入功率的比值：G=Pout / Pin低噪声放大器都是按照噪声最佳匹配进行设计的。
文章编号:1001-893X(2006)01-0119-04利用AD S软件设计X频段低噪声放大器①唐海啸1,张玉兴1,杨陈庆2,杨玉梅1(1.电子科技大学电子工程学院,成都610054;2.西南电子设备研究所,成都610036)摘 要:首先简要介绍微波低噪声放大器的设计理论和方法,然后介绍使用Agilent公司的微波电路CAD软件ADS进行仿真和优化设计一个X频段的低噪声放大器的方法和过程。
对制成品的实际测试和调试表明,此放大器达到了预定的技术指标,性能良好。
其工作频段为8.6～9.5GHz,噪声系数≤1.8d B,增益为23d B,带内平坦度≤±0.5dB。
关键词:低噪声放大器;噪声系数;增益;S m ith圆图;ADS仿真软件;优化中图分类号:T N722.3 文献标识码:AAn X Band Low Noise Ampli fi er Desi gn with ADS Software TAN G Hai-xiao1,ZHAN G Yu-xing1,YAN G Chen-qing2,YAN G Yu-m ei1(1.School of Electr onic Engineering,University of Electr onic Science and Technol ogy of China,Chengdu610054,China;2.South west China I nstitute of Electr onic Equi pment,Chengdu610036,China)Abstract:The design theory and method of a m icr owave l ow noise a mp lifier(LNA)is intr oduced.Then, the technique and p r ocess of si m ulating and op ti m izing an X band LNA with ADS s oft w are by Agilent is ex2 p lained.Finally,the p ractical test and debugging of the p r oduct de monstrate that this LNA meets the tech2 nical require ments and works well.Its operati on band is8.6～9.5GHz,noise figure(NF)≤1.8d B,gain =23d B,in-band flatness≤±0.5dB.Key words:l o w noise a mp lifier(LNA);noise figure;gain;s m ith circle;ADS s oft w are;op ti m ize1 引言低噪声放大器(LNA)在接收机系统中处于前端,主要作用是放大接收到的微弱信号,降低噪声干扰。
ADS应用：1． ads优化仿真电路的一点心得：我主要做的是高频的匹配电路所以在这里也谈谈自己的一些经验不足的地方希望大家指正1，初值的选择：首先拿到有源器件模型后我都会在圆图上看看它的s参数主要还是11和22 找个中心频率点通过ads自带的tools smith chat 将这点匹配到50om 这样我们就会得到一个匹配电路的初值。
通过这个方法很快的能找到一个比较好的初值比有些人随便给了一组数然后去random优化要快并且合理。
2，目标的设置：目标设置不好就会出现不收敛等一些预期不到的结果，所以我建议优化剃度到一定结果后见好就收然后手动改变变量进行调试。
选择它的优化type 里面就有），将影响目标灵最后我觉的变量的设置一定要精简，在优化过程中有些数值影响小的一定要定值，不要一直开着优化，这样能避免不收敛的问题。
很浅的一些经验希望大家一起探讨。
放大器设计步骤解析1.首先估计所设计放大器需要达到的增益，输入输出VSWR，一般业界都将VSWR做到2.0以下，除非是功率放大器的输出VSWR，可以不考虑这个限制。
2.选择适当的晶体管，确定晶体管的工作状态，在当前设计的偏压条件下，计算晶体管的S参数，MSG等，确定在设计的频段内，MSG略大于所要设计的放大器增益的值，一般设计的增益值会比MSG小2dB左右，以避免引起振荡，并方便做匹配。
3.将晶体管的稳定系数K值全部提升至1以上，而并不是只要保证工作频段K值大于1，带外的频段受到干扰也可能引起振荡，但在工作频段K值最好只能略大于1，一般去1.05，1.1左右，K值越大，设计的放大器最大增益将变小，而在带外频段，K值尽量大，K值随频率曲线最好呈现一个U字型。
4.如果是设计驱动放大器，一般设计成输入输出都共轭匹配，这里很多人在设计中常采用下面不太高效的做法：输出先接上50欧姆，再设计输入匹配网络，然后设计输出匹配网络，由于输出电路已不是50欧姆，需要再调整输入匹配网络，同样的，输入匹配网络变了以后，需要再一次调整输出匹配网络，来回需要调谐很多次，才有可能达到指标。
低噪声放大器的两种设计方法低噪声放大器的两种设计方法[图],低噪声放大器(lna)是射频收发机的一个重要组成部分，它能有效提高接收机的接收灵敏度，进而提高收发机低噪声放大器(lna)是射频收发机的一个重要组成部分，它能有效提高接收机的接收灵敏度，进而提高收发机的传输距离。
因此低噪声放大器的设计是否良好，关系到整个通信系统的通信质量。
本文以晶体管atf54143为例，说明两种不同低噪声放大器的设计方法，其频率范围为2~2.2ghz；晶体管工作电压为3v；工作电流为40ma；输入输出阻抗为50ω。
1定性分析1.1晶体管的建模通过网络可以查询晶体管生产厂商的有关资料，可以浏览厂商提供更多的该款晶体管模型，也可以根据实际须要浏览该管及的s2p文件。
本例使用轻易将该管及的s2p文件复制到软件中，利用s参数为模型设计电路。
如果就是第一次引入，则可以利用模块sparams展开s参数仿真，观测获得的s参数与s2p文件提供更多的数据与否相同，同时，测量晶体管的输入阻抗与对应的最轻噪声系数，以及推论晶体管的稳定性等，为下一步骤搞好准备工作。
1.2晶体管的稳定性对电路完成s参数仿真后，可以得到输入/输出端的mu在频率2~2.2ghz之间均小于1，根据射频相关理论，晶体管是不稳定的。
通过在输出端并联一个10ω和5pf的电容，m2和m3的值均大于1，如图1，图2所示。
晶体管实现了在带宽内条件稳定，并且测得在2.1ghz时的输入阻抗为16.827-j16.041。
同时发现，由于在输出端加入了电阻，使得fmin由0.48增大到0.573，topt为0.329∠125.99°，zopt=（30.007+j17.754）ω。
其中，topt是最佳信源反射系数。
图1利用模块sparams展开仿真的电路原理图图2输入/输出mu与频率的关系1.3制定方案如图3所示，将可用增益圆族与噪声系数圆族画在同一个ts平面上。
通过分析可知，如果可用增益圆通过最佳噪声系数所在点的位置，并根据该点来进行输入端电路匹配的话，此时对于lna而言，噪声系数是最小的，但是其增益并没有达到最佳放大。
基于ADS线性射频放大器设计与仿真
南敬昌;冯永生;刘元安
【期刊名称】《计算机仿真》
【年(卷),期】2007(24)5
【摘要】为了加速射频放大器的设计及产品化过程,用EDA工具软件对放大器先进行仿真是一种有效的方法.提出了一种利用ADS软件对LNA和小信号功率放大器进行设计的方法,并通过实例对1.5GHz频段射频放大器的稳定性、S 参数、功率增益、输入输出匹配等进行了仿真,给出了仿真结果和最终的设计电路.仿真结果表明,放大器匹配电路设计完全满足性能指标要求.这种方法对放大器的设计有着重要的实用价值,可以进行快速的阻抗匹配和优化,从而加速放大器的设计进程.
【总页数】4页(P302-305)
【作者】南敬昌;冯永生;刘元安
【作者单位】北京邮电大学电信工程学院,北京,100876;辽宁工程技术大学电子与信息工程系,辽宁,葫芦岛,125105;北京邮电大学电信工程学院,北京,100876;北京邮电大学电信工程学院,北京,100876
【正文语种】中文
【中图分类】TN722
【相关文献】
1.基于ADS1.5 GHz射频放大器的设计与分析 [J], 尹川;姚毅
2.一种基于ADS仿真的射频放大器设计方法 [J], 牛吉凌;康弘俊
3.基于ADS下FBAR的设计与仿真 [J], 王瑞;陈鹏光;任家泰;白玉慧;陈剑鸣
4.基于ADS的L波段接收机射频前端设计与仿真 [J], 张宇晖
5.基于ADS的500MHz射频发射系统设计与仿真 [J], 孙艳丽;刘晓娣;张晨亮;甄喆
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基于ADS的S波段平衡式宽带低噪声放大器设计徐晓宁;胡兆刚【摘要】An ADS-based design of S-band balanced-broadband low-noise amplifier (LNA) for broadband radar front-end is presented in this paper. The Spice model of the E-PHEMT is used in the simulation software. After the DC operating point is conformed, the minimum noise figure impedance matching in the input port and the maximum gain impedance matching in the output port were designed while the simulation result and layout was offered. The 2-way 90?wide band power splitter was integrated with the balanced LNA. It is the way which improved the electronical performance of the amplifier much more and reduced the dimension of the entire circuit observably. The schematic-EM-co-simulation was adopted in the circuit design and optimization of LNA, in which an EM analysis was performed on the whole circuit as just one physical model, so that the results can approach the measured results more than that of the schematic simulation. This method can shorten the design period and bring about a high design efficiency.%针对宽带雷达接收前端的应用,基于ADS 软件设计了一种S波段平衡式宽带低噪声放大器.在软件仿真中使用晶体管的Spice模型,在确定直流工作点后进行输入端的最小噪声阻抗匹配和输出端的最大增益阻抗匹配,最后给出了仿真结果和版图设计.同时采用新型S波段90°宽带功分器用于平衡式LNA的电路,大大提高了放大器的电性能,显著减小了整个电路的尺寸.在此将原理图-版图联合仿真用于LNA的设计优化,将整个电路作为一个模型进行EM分析,得出了一个可以比原理图仿真更接近实际电路的结果,同时有效提高了产品的研发效率,缩短小了研制周期.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2012(035)012【总页数】4页(P149-152)【关键词】平衡式放大器;ADS联合仿真;90°宽带功分器;Spice模型【作者】徐晓宁;胡兆刚【作者单位】中航雷达与电子设备研究院航空电子系统射频综合仿真航空科技重点实验室,江苏无锡 214063;中航雷达与电子设备研究院航空电子系统射频综合仿真航空科技重点实验室,江苏无锡 214063【正文语种】中文【中图分类】TN710-340 引言随着现代雷达技术的迅猛发展，对雷达性能的要求越来越高,低噪声放大器(LNA) 已被广泛应用于雷达系统中,成为了雷达接收系统中必不可少的重要电路。
X波段LNA设计 0 引言 在通信系统中， 衡量通信质量的一个重要指标是信噪比，而改善信噪比的关键就在于降低接收机的噪声系数。一个具有低噪声放大器的接收机系统， 其整机噪声系数将大大降低，从而灵敏度大大提高。因此在接收机系统中低噪声放大器是很重要的部件。 1 电路仿真设计 该项目的微波低噪声放大器是利用微波低噪声场效应管在微波频段进行放大。特别需要注意的是， 因为场效应管都存在着内部反馈，当反馈量达到一定强度时， 将会引起放大器稳定性变坏而导致自激， 改善微波管自身稳定性采取的是串接阻抗负反馈法，在场效应管的源极和地之间串接一个阻抗电路， 构成负反馈电路。实际的微波放大器电路中反馈元件常用一段微带线代替，相当于电感性元件负反馈， 这样对电路稳定性有所改善。 1. 1 确定电路形式 噪声系数是低噪声放大器的重要技术指标之一，低的噪声系数与低的输入驻波在低噪声放大器的设计中是一对矛盾。该项目低噪声放大器在设计中摒弃了通常为实现低输入驻波采用输入加隔离器的方法，采用负反馈放大电路。负反馈放大电路具有频带响应宽、输入输出驻波小和稳定性好等特点。 利用PHEMT 芯片， 应用混合集成工艺进行设计， 在宽频带范围内实现了低噪声系数和低驻波特性。 器件的选用恰当与否直接关系到性能指标的优劣， 宽带低噪声放大器最关键的器件就是放大器的基础——GaAs PHEMT 芯片。为满足高增益指标，GaAs PHEMT 应具有尽可能高的跨导； 同时， 为了满足低的噪声系数， GaAs PHEMT 自身的噪声系数应尽可能低； 由于型谱产品频段较高， 为了避免分布参数带来的影响， 同时减小体积， GaAs PHEMT 选择采用管芯。 该项目为了兼顾噪声和增益， 所以采用2 级放大。第1 级放大器的设计必需是最佳噪声设计， 即输入匹配网络必需是最佳噪声匹配网络，不必追求最大增益； 第2 级放大器保证输出功率和总增益。 1. 2 第1 级放大器的仿真设计 经过选择该项目第1 级使用Fujits 的FHX13X,其噪声特性比较好， 使用2 个场效应管来进行并联放大设计。并联放大器的好处在于它的低噪声特性， 而且容易进行匹配。为了改善稳定性， 第1 级放大器的2 个源极和地之间各串联一个RLC 谐振电路， 并且加入负反馈， 在栅——漏之间加入RL 串联的反馈电路， 这样虽然会降低增益，增加噪声， 但是会对电路的稳定性， 增益平坦度， 宽带的实现， 输入输出驻波比有很大改观。 利用软件进行仿真的结果。
LNA设计的技术指标：工作频率825 MHz — 835 MHz；噪声系数<1.8 dB；关键器件选择ATF-54143 是一款高增益、宽动态范围、低噪声的E-PHEMT（增强模式伪形态高电子迁移率晶体管），只需要一个正的电压偏置，器件体积小，电路集成度高，特别适用于450 MHz — 6 GHz 频段的通信系统。
而且根据器件性能，在漏电流IDS为60 mA时能得到最高的三阶截取点（IP3）和最低噪声系数（NF），在漏电压VDS为3 V 时，有较高的增益。
LNA 电路的设计通常，在设计LNA 时主要考虑低噪声系数（NF），足够的增益和绝对稳定性，但在实际应用中，高截取点、供电电压和低电流损耗也需要考虑。
直流偏置电路的设计首先，以ATF-54143 的栅极电压VDS 作为扫描参数对元件的静态工作点（漏极电流IDS 和漏极电压VDS）进行仿真。
图2 和图3 分别为仿真图和电路原理图。
再根据选定的VDS（3 V），IDS（60 mA），VGS（0.56 V）, 用公式（1）（2）（3）计算各偏置电阻值。
式中，IBB=2 mA是设定流经R1 和R2 电阻分压网络的电流，Vdd=5 V 是供电电压，经计算得出各偏置电阻值：R1=280 Ω，R2=1220 Ω，网R3=33 Ω。
稳定电路的设计电路不稳定主要由3 个原因产生：晶体管内部的反馈回路，由外部电路产生的在晶体管外部的反馈支路，以及通带外的多余的增益。
绝对稳定意味着对于任何源端和负载端的阻抗，电路都不会出现不稳定的情况，通常可以由Rollett稳定因子来表示。
绝对稳定的条件是：稳定电路的设计电路不稳定主要由3 个原因产生：晶体管内部的反馈回路，由外部电路产生的在晶体管外部的反馈支路，以及通带外的多余的增益。
绝对稳定意味着对于任何源端和负载端的阻抗，电路都不会出现不稳定的情况，通常可以由Rollett稳定因子来表示。
绝对稳定的条件是：改进方法之一是可以在晶体管的源端对地加上一小段微带线，相当于电感性元件的负反馈，可以改善输入回波损耗和低频稳定度，提高线性度；同时在放大电路的输出端可以加上π型阻性衰减器，对改善稳定性也很有效。
