低噪声放大器的ADS仿真与设计
前言
无线通信系统中的小信号放大器，除了要求增益以外，另有特别需求的低噪声度NF。低噪声放大器主要用作接收机的输入级，一般称其为前端。这一置于前端的前置放大器噪声的大小将会主导接收系统的整体噪声度，因而必须是一个低噪声放大器。本文介绍了通过ADS仿真采用AT-41511[1]低噪声晶体管实现低噪声放大器的设计，主要设计指标：工作频带750MHz~850MHz；增益：大于14dB；增益带内波动：小于 0.5dB；输入输出回波损耗：小于-10dB ；噪声系数：小于1.8dB ；稳定性：无条件稳定。
ADS2006A(Advanced Design System)软件是Agilent公司在HPEESOF系列EDA软件基础上发展完善的大型综合设计软件，它功能强大，能够提供各种射频微波电路的仿真和优设计，是射频工程师的得力助手。
1、直流偏置电路设计
晶体管放大器的偏压设计[5]都以一个电源供应配合电阻网络组成。为获得较低的噪声系数参考AT-41511手册选定直流工作点为Q(VCE,IC) 即VCE =5.0V，IC=5mA且已知
VCC =6V,取近似值
根据以下公式[6]可以得到直流偏置电路电阻的阻值。
采用集电极反馈的偏置电路如图1所示。
图1 直流偏置电路设计
由于实际器件参数和ADS器件库中模型参数有一定的差异，即使同一批器件由于工艺上的偏差，其单个器件参数也有所不同[6]，故上述计算只能得到偏置电路的大致参数。之后在PCB实际调试的时候，首先调整偏置电路各电阻的阻值以使晶体管偏置在所需要的的状态下。
2、稳定性设计
根据AT-41511的s参数模型做稳定系数仿真可以看出，在所需要的频段内放大器是不稳定的，需要进行稳定电路[5]的设计。增加稳定电阻和电容如图2所示，仿真可以得到如下图3所示的仿真结果，可以看出增加稳定电阻电容后在所需的频段内稳定因子K>1，放大器是无条件稳定的。
图2 增加稳定电路的仿真图图3 稳定系数仿真结
果
3、输入输出匹配电路设计
为了获得最小的噪声系数，Γs有个最佳值Γopt[8]，此时LNA达到最小噪声系数，即达到最佳噪声匹配状态。Sopt：最小噪声的最优匹配系数，利用这个最优系数可以进行输入匹配电路的设计[3]。我们首先利用小信号s参数仿真AT-41511晶体管的最佳噪声系数下的源阻抗匹配及负载阻抗匹配条件，已知的直流工作点 ,考虑放大器本身的不稳定性，在增加了稳定电阻和电容之后的最佳噪声匹配条件如下图4所示。
根据最佳噪声匹配条件，进行独立LC元件阻抗匹配，得到如下图5所示的匹配电路和图6所示的仿真结果。
图5 最佳噪声电路匹配结果
图6 最佳噪声匹配仿真结果
从仿真结果可以看出，在最佳噪声匹配状态下工作频段内的噪声系数（1.045~1.108dB ）和输出端口的反射系数（均小于-20dB ）结果比较理想，但是输入端口反射系数过大且工作频段内的增益落差很大，还达不到系统的工作指标，要实际投入使用的低噪声放大器不仅要满足较小噪声系数的要求，而且要在稳定性、输入输出驻波比、增益及增益平坦度等各项指标都要符合要求。为此必须在噪声、增益及输入反射系数之间权衡，牺牲适度的噪声系数换取输入端口反射系数的减小和带内增益的平坦度。故需要进一步设置优化目标和变量优化范围，经数次优化仿真才能得到较为理想的结果。
4、实际测试结果
在ADS仿真的基础上进行PCB的设计与制作，采用FR-4板材，介电常数
，板厚1.0mm，微带线高度35。
表1 噪声系数测试结果
图7 增益及输入端回波损耗实测结果图8 输出端回波损耗及端口隔离测试结果
实际测试结果表明与仿真结果相比，噪声系数略有增加，原因[4]在于在微波工作室中整个电路的设计都是在理想无耗状态下进行的，各模型虽然是ADS库中的实际模型，但由于在实际制作过程中存在工艺误差，接头匹配不太理想，装配及焊接过程的影响，增益、输入输出端口反射系数测试结果图如上图所示，从实际测试结果可以看到，在工作频带750MHz~850MHz范围内，增益均大于14dB，且带内波动小于0.5dB，输入输出回波损耗均小于-10dB 。
5、结论
本文介绍了利用ADS仿真软件及低噪声晶体管AT-41511设计低噪声放大器的过程，主要包括直流偏置电路、稳定性、输入最佳噪声匹配、输出最大增益匹配。在仿真的基础上，进行了PCB设计与制作，实际测试结果表明，主要性能指标均符合设计要求，且体积小、成本低廉，可用于无线射频通信系统前端。
参考文献
【1】 AT-41511 Datasheet.HP_AT-41511-TR1.pdf.
【2】 Henkes D D.LNA design uses series feedback to active simultaneous low input VSWR and low noise[J].Applied Microwave & Wireless,2000,12(3):26-32 【3】 Stratakes G E.Design and development of special low noise amplifiers for GPS application[J].Applied Microwave & Wireless,2000,12(3):48-54 【4】 Gonzalez,Guillermo;《Microwave Transistor Amplifiers,Analysis & Design》；Second editon,Prentice Hall,Upper Saddle River,New Jersey 07458.
【5】刘久文.RF第一级噪声放大器的仿真设计方法[J]，北京航空航天大学学报，2000，3（20）
【6】 Rowan Gilmore & Les Besser 著.杨芳翁木云等译.现代无线系统射频电路实用设计.电子工业出版社，2006:42-43,75-81.
【7】袁杰.实用无线电设计.北京：电子工业出版社，2006.159-165.
【8】范寿康等，《微波技术与微波电路》[M].北京机械工业出版社.2003.254-275.
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