基于ADS的通信設(shè)備低噪聲放大器改進(jìn)設(shè)計(jì)與仿真

宮 波，李淑華

（海軍航空工程學(xué)院 青島分院，山東 青島 266041）

通信設(shè)備接收機(jī)內(nèi)部噪聲過大將直接影響信號(hào)接收。而降低通信設(shè)備接收機(jī)系統(tǒng)噪聲系數(shù)最有效方法就是改進(jìn)接收機(jī)前端。低噪聲放大器有效提供接收機(jī)的接收靈敏度，從而提高通信設(shè)備的傳輸距離。因此設(shè)計(jì)良好的低噪聲放大器能極大提高整個(gè)通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量。

目前低噪聲放大器設(shè)計(jì)通常采用CAD、EESOF、MWOffice和（Advanced Design System）等方式。ADS是Agilent公司開發(fā)的一種功能強(qiáng)大的射頻電路設(shè)計(jì)和仿真工具軟件，對(duì)小信號(hào)特征進(jìn)行的S參數(shù)仿真非常適用于低噪聲放大器的仿真設(shè)計(jì)。

1 噪聲系數(shù)與接收機(jī)靈敏度的關(guān)系

噪聲系數(shù)是指信號(hào)通過放大器之后，由于放大器產(chǎn)生噪聲使信噪比變壞，而信噪比下降的倍數(shù)就是噪聲系數(shù)。其定義為：

式中，n為放大器輸出端確定的信噪比。

而接收機(jī)靈敏度是維持接收機(jī)正常工作時(shí)，輸入端所必需的最小信號(hào)功率（或電壓）。在理想條件下，接收機(jī)內(nèi)部噪聲所決定的靈敏度作為衡量接收機(jī)質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)，則稱為最高靈敏度[1]。

設(shè)天線的輸入信號(hào)為Es，則Psi=E2s，Pni為源內(nèi)阻的熱噪聲，即 Pni=4kTRsΔfn，于是式（1）可寫為：

則可檢測(cè)的最小信號(hào)為：

式中，Rs是天線等效電阻，Δfn是接收機(jī)通頻帶寬度，k是波爾茲曼常數(shù)（1.38×10-23J/K），T 為室溫 17°C（290 K）。

從式（3）可看出，若給定接收機(jī)的輸入電阻、全機(jī)同頻帶寬以及接收機(jī)的輸出信噪比，其接收機(jī)靈敏度可直接由噪聲系數(shù)決定。

2 低噪聲放大器的主要技術(shù)指標(biāo)

低噪聲放大器的主要指標(biāo)包括：噪聲系數(shù)（NF）、功率增益、穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)范圍、輸入輸出駐波比和反射系數(shù)等，其中對(duì)整個(gè)系統(tǒng)影響最大的指標(biāo)是噪聲系數(shù)和放大增益[2]。

2.1 噪聲系數(shù)

噪聲系數(shù)通常用分貝表示：

對(duì)于單級(jí)放大器而言，其噪聲系數(shù)為：

式中，F(xiàn)min為晶體管最小噪聲系數(shù)，由放大器本身決定，rn是晶體管等效噪聲電阻，Γs是晶體管輸入端的源反射系數(shù)，Γopt是獲得最佳Fmin時(shí)的最佳源反射系數(shù)。

在某些噪聲系數(shù)要求極高的系統(tǒng)中，由于噪聲系數(shù)很小，用噪聲系數(shù)表示不方便，通常采用噪聲溫度表示，則噪聲溫度Te與噪聲系數(shù)NF的換算關(guān)系：

式中，T0為環(huán)境溫度，通常為290 K。

2.2 功率增益

對(duì)于實(shí)際的低噪聲放大器，功率增益通常是指信源和負(fù)載都是50 Ω標(biāo)準(zhǔn)阻抗情況下實(shí)測(cè)的增益。即先測(cè)出沒有放大器時(shí)輸出的功率P1，連接有加入放大器后再測(cè)量輸出的功率 P2，則功率增益 G=P2/P1。

噪聲最佳匹配情況下的增益稱為相關(guān)增益。噪聲最佳匹配點(diǎn)并非最大增益點(diǎn)，一般相關(guān)增益比最大增益低2～4 dB。低噪聲放大器的增益應(yīng)適中，增益太大導(dǎo)致下級(jí)混頻器輸入過大而失真；增益太小不利于抑制后續(xù)各級(jí)放大器噪聲。這是由于在多級(jí)放大器噪聲系統(tǒng)中，噪聲系數(shù)表達(dá)式為：

式中，NFn為第n級(jí)放大器的噪聲系數(shù)，Gn為第n級(jí)放大器的增益。

當(dāng)增益G1和G2足夠大時(shí)，整機(jī)的噪聲系數(shù)接近第一級(jí)的噪聲系數(shù)。因此系統(tǒng)前端的低噪聲放大器對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)大小起決定作用。

2.3 穩(wěn)定性

低噪聲放大器能夠正常工作必須滿足的首要條件之一是其在工作頻段內(nèi)的穩(wěn)定性，否則會(huì)產(chǎn)生自激振蕩。穩(wěn)定性取決于晶體管的S參數(shù)和輸入輸出網(wǎng)絡(luò)的反射系數(shù)。當(dāng)晶體管確定工作頻率和偏置，也就是晶體管的S參數(shù)成為定值后，只要滿足式（8）～式（9），則晶體管絕對(duì)穩(wěn)定。如果不滿足絕對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，通過增加穩(wěn)定電路設(shè)計(jì)使晶體管工作在穩(wěn)定狀態(tài)。

式中，K為Rollett穩(wěn)定因數(shù)。

2.4 動(dòng)態(tài)范圍

動(dòng)態(tài)范圍是指低噪聲放大器輸入信號(hào)允許的最小和最大功率的范圍。動(dòng)態(tài)范圍的上限由最大可接收的信號(hào)失真決定，動(dòng)態(tài)范圍的下限取決于噪聲性能。為了避免大信號(hào)輸入時(shí)產(chǎn)生非線性失真，一般應(yīng)選擇低噪聲放大器的輸入三階交調(diào)點(diǎn)IIP3較高一點(diǎn)，至少比最大輸入信號(hào)高30 dB[3]。

2.5 輸入輸出駐波比

低噪聲放大器的輸入輸出駐波比表征其端口回路的匹配情況。一般低噪聲放大器的輸入匹配電路是按照最小噪聲設(shè)計(jì)的，即接近最佳噪聲匹配而不是最佳功率匹配，而輸出端匹配網(wǎng)絡(luò)一般是為獲得最大功率和最低駐波比設(shè)計(jì)的。所以，低噪聲放大器的輸入端總是存在某種不匹配。為了減小放大器輸入端不匹配所引起的端口反射，可插入損耗很小的隔離器方法解決。

3 低噪聲放大器的仿真設(shè)計(jì)

3.1 通信設(shè)備原低噪聲放大器晶體管

受擾通信設(shè)備前端低噪聲放大器是采用俄制晶體管2Т919Б，其工作頻率范圍為 1～2 GHz，增益約 10 dB，噪聲系數(shù)大于 2.3 dB[4]。

3.2 改進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí)低噪聲放大器晶體管

通信設(shè)備采用PHEMT場(chǎng)效應(yīng)晶體管的低噪聲放大器在800 MHz頻段噪聲系數(shù)可達(dá)0.4 dB，增益約17 dB；1 900 MHz頻段噪聲系數(shù)可達(dá)0.6 dB，增益約15 dB。經(jīng)比較，本設(shè)計(jì)用Agilent公司的AT-41533低噪聲晶體管實(shí)現(xiàn)低噪聲放大器。所設(shè)計(jì)低噪聲放大器的主要指標(biāo)為：工作頻帶1.2～1.4 GHz（載波頻率1.3 GHz）；增益大于13 dB；噪聲系數(shù)小于 1.5 dB；無條件穩(wěn)定。

3.3 晶體管直流工作點(diǎn)的掃描

在低噪聲放大器設(shè)計(jì)之前，首先確定靜態(tài)工作點(diǎn)和偏置電路，即對(duì)晶體管進(jìn)行直流工作點(diǎn)的掃描，實(shí)際就是直流仿真過程，圖1是利用ADS軟件的Template-BJT_curve_tracer進(jìn)行直流工作點(diǎn)掃描的電路原理圖。圖2為直流工作點(diǎn)掃描曲線。

圖1 直流工作點(diǎn)掃描電路原理圖

圖2 直流工作點(diǎn)掃描曲線

由圖2可讀出，VCE=3 V，IC.i=0.013 mA。需要注意的是，實(shí)際器件參數(shù)和ADS器件庫中的模型參數(shù)可能會(huì)有一定差異，工程實(shí)踐時(shí)需按要求做出相應(yīng)調(diào)整。

3.4 穩(wěn)定性分析

對(duì)晶體管AT-41533進(jìn)行S參數(shù)掃描，在原理圖中加入2 個(gè)穩(wěn)定性測(cè)量控件，分別是 K：K=stab_fact（S） B：B=stab_fact（S） 函數(shù)返回 Rollett穩(wěn)定因數(shù)；B：B=stab_meas（S），stab_meas（S）函數(shù)返回穩(wěn)定量。圖3為穩(wěn)定性分析的電路設(shè)計(jì)圖。表1列出工作頻帶附近的K、B值。

圖3 S參數(shù)掃描的電路原理圖

表1 工作頻帶附近的K、B值

從表1看出，在1.2～1.4 GHz的頻帶范圍內(nèi)，K、B值均大于 1，由式（7）、式（8）得出在此工作頻帶內(nèi)系統(tǒng)無條件穩(wěn)定，無需另外設(shè)計(jì)穩(wěn)定電路。

3.5 匹配電路設(shè)計(jì)

3.5.1 輸入匹配電路的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的低噪聲放大器置于接收機(jī)前端，由式（3）可知，當(dāng)晶體管輸入端的源反射系數(shù)Γopt（Sopt）=Γs時(shí)，可獲得最小的噪聲系數(shù) F=Fmin[5]。

通過對(duì)晶體管AT-41533進(jìn)行SP模型掃描，中心頻率1.3 GHz時(shí)，值是-0.241+j0.191：使用Smith圓圖工具，將輸入反射系數(shù)S（1，1）設(shè)置為Γopt共軛，用于最小噪聲系數(shù)輸入阻抗的匹配。圖4為輸入匹配的電路設(shè)計(jì)，圖5為輸入匹配后阻抗圓圖。

3.5.2 輸出匹配電路

輸出網(wǎng)絡(luò)匹配是由微帶線實(shí)現(xiàn)的，采用RF4基板，具體參數(shù)為：基板厚度0.8 mm；相對(duì)介電常數(shù)Er為4.3；磁導(dǎo)率Mur為1；金屬電導(dǎo)率為5.88E+7；金屬層厚度為0.03 mm。通過ADS自帶的微帶線計(jì)算工具計(jì)算出微帶線寬度1.5 88 mm，選擇控件MLIN、MTEE、MLEF插入到輸出端。設(shè)置2 個(gè)優(yōu)化 GOAL，其對(duì)象分別是 S（1，1）和 S（2，2），有一點(diǎn)需要注意的是，進(jìn)行優(yōu)化后輸入匹配Smith圓圖的參數(shù)也會(huì)有稍微的改變。圖6為輸出匹配的電路設(shè)計(jì)圖，最終仿真結(jié)果如圖7～圖10所示。

圖4 輸入匹配的電路設(shè)計(jì)

圖5 輸入匹配后阻抗圓圖

由圖8看出，輸入輸出匹配后，輸入端和輸出端的反射系數(shù)均小于-15 dB；由圖9和圖10看出，所設(shè)計(jì)濾波器增益@14.6 dB，噪聲系數(shù)@1.39 dB。

圖6 輸出匹配的電路設(shè)計(jì)圖

4 結(jié)論

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最終仿真結(jié)果：增益為14.6 dB；噪聲系數(shù)為1.39 dB，其結(jié)果均符合預(yù)期設(shè)計(jì)指標(biāo)。

圖7 輸出匹配后阻抗圓圖

圖8 匹配后 S（1，1）和 S（2，2）的參數(shù)曲線

圖9 匹配后 S（2，1）參數(shù)曲線

圖10 匹配后噪聲系數(shù)曲線

若假定條件不變，原設(shè)備接收機(jī)的最高靈敏度是2 μV，那么改進(jìn)低噪聲放大器設(shè)計(jì)后接收機(jī)的靈敏度提高到1.2 μV左右。但該結(jié)論是僅考慮第一級(jí)放大器噪聲，如果考慮到后級(jí)噪聲的影響，靈敏度的提高會(huì)稍微降低。

通過ADS軟件對(duì)某通信設(shè)備接收機(jī)前端低噪聲放大器進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，仿真選取的電路模型比較簡單，實(shí)際電路往往會(huì)比仿真模型更復(fù)雜，但即便對(duì)于復(fù)雜電路，只要設(shè)置好參數(shù)模型仍然能夠進(jìn)行正確的仿真設(shè)計(jì)。

另外，在實(shí)際設(shè)計(jì)低噪聲放大器過程中需實(shí)際測(cè)試各項(xiàng)指標(biāo)，并將測(cè)試結(jié)果反饋到仿真設(shè)計(jì)中，重新修訂仿真參數(shù)，如此循環(huán)不斷優(yōu)化出理想的低噪聲放大器。因此，噪聲系數(shù)的降低可有效提高接收機(jī)系統(tǒng)的靈敏度，提高通信設(shè)備的作用距離。

[1]黃志偉.無線發(fā)射與接收電路設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[2]陳邦媛.射頻通信電路[M].北京：科學(xué)出版社，2002.

[3]陳艷華，李朝暉.ADS應(yīng)用詳解-射頻電路設(shè)計(jì)與仿真[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[4]黃志偉.射頻小信號(hào)放大器電路設(shè)計(jì)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008.

[5]闞能華，習(xí)友寶.低噪聲放大器的ADS仿真與設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量技術(shù)，2008，8（31）：24-26.