任朝陽 張凱 岳曉惠 金非凡 曹智輝

摘 要：本文設(shè)計(jì)了帶寬為400MHz，中心頻率為4.4GHz射頻低噪聲放大器，選用安捷倫公司的高電子遷移率晶體管ATF-55143，利用安捷倫公司的微波仿真軟件Advanced Design System（ADS）進(jìn)行原理圖和版圖的設(shè)計(jì)、仿真及優(yōu)化。仿真設(shè)計(jì)結(jié)果表明：在工作頻段范圍內(nèi)，其增益S21>9dB、噪聲系數(shù)NF<2dB、輸入反射系數(shù)S11<-15dB、輸出反射系數(shù)S22<-15dB、功耗P<30mW;

關(guān)鍵詞：低噪聲;ADS;放大器

引言

射頻低噪聲放大器在通信、遙測遙感、射電天文、雷達(dá)以及電子對抗等領(lǐng)域的射頻接收機(jī)前端已成為必不可少的重要組成部分。低噪聲放大器在射頻前段的主要作用為在放大信號的同時盡可能低的引入內(nèi)部噪聲，因此噪聲系數(shù)是低噪聲放大器的一個重要指標(biāo)。低噪聲放大器的噪聲系數(shù)關(guān)乎著射頻前端及其整個通信系統(tǒng)的接收靈敏度。由于電磁波的傳輸損耗、水汽吸收損耗隨著電磁波的頻率升高而增大，這就對于工作頻段較高的低噪聲放大器的噪聲系數(shù)提出了較高的要求。[1]

本文采用穩(wěn)定性設(shè)計(jì)和偏置電路設(shè)計(jì)相結(jié)合，以此提高電路設(shè)計(jì)效率。首先，選擇合適的晶體管，確立靜態(tài)工作點(diǎn);設(shè)計(jì)合理的輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，采用穩(wěn)定性設(shè)計(jì)和偏置電路設(shè)計(jì)綜合考慮的方法，以滿足增益、噪聲系數(shù)以及輸入輸出駐波比等指標(biāo);最后進(jìn)行微帶線版圖仿真、優(yōu)化及設(shè)計(jì)。

1.放大器基本原理

圖1為晶體管放大器常規(guī)電路原理圖。其中， 信號源反射系數(shù); 晶體管輸入端反射系數(shù); 負(fù)載反射系數(shù); 晶體管的輸出反射系數(shù)。根據(jù)微波網(wǎng)絡(luò)基本理論可知，放大器的輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)用來減少反射以提高傳輸功率流量，其放大器指標(biāo)由其特定偏置條件下的S參數(shù)確定[2]。 和 決定著放大器的電路的噪聲參量、增益、穩(wěn)定性以及電壓駐波比等性能參數(shù)[3]。

2.設(shè)計(jì)與仿真

2.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

工作頻段：4.2GHz～4.6GHz;噪聲系數(shù)：優(yōu)于2 dB;增益：優(yōu)于8dB;輸入輸出回波損耗：小于-10dB;輸入輸出駐波比小于1.5。

2.2 設(shè)計(jì)方法

晶體管選用Agilent公司的高電子遷移率低噪聲晶體管ATF-55143。由器件手冊可知，在450MHz～6GHz的頻段范圍內(nèi)具有較高的動態(tài)范圍、噪聲系數(shù)較低、單電源供電、輸入輸出易于匹配以及性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，完全滿足設(shè)計(jì)需求。板材的介電質(zhì)常數(shù)4.6，介質(zhì)厚度為0.8毫米，介質(zhì)損耗角正切為0.035，金屬導(dǎo)電率（銅）為5.813e7，金屬厚度為35um。在放大器設(shè)計(jì)中，當(dāng)工作頻率較高時，必須考慮傳輸線對放大器輸入輸出匹配的影響，傳輸線的阻抗與電長度可通過ADS中的LineCalc工具進(jìn)行仿真計(jì)算得到。

2.3 直流工作點(diǎn)分析

首先是根據(jù)性能指標(biāo)，參考ATF—55143的數(shù)據(jù)手冊，來確定芯片的直流工作點(diǎn)。由數(shù)據(jù)手冊中的性能曲線可知，在VDS=2V，Ids=10mA頻率達(dá)到4.4GHz時，增益大約為12dB，而且增益主要與漏極-源級電流（Ids）有關(guān);此外，在漏極-源級電流（Ids）大于10mA時，器件的的增益與噪聲系數(shù)都有明顯的改善，而且漏極-源級電壓（VDS）越大，噪聲系數(shù)越小，但是VDS對于總體性能的改善并不大。

接下對比在VDS=2V，Ids=10mA與VDS=2V，Ids=15mA下的噪聲系數(shù)和增益。如圖2所示。

圖2中的3.9GHz與5GHz，我們可以得知在漏極-源級電流（Ids）大于10mA進(jìn)行偏置時，芯片的最大增益為將大于12dB，噪聲系數(shù)小于0.92dB。因此，選取的Ids在10mA與15mA之間，能夠保證電路有足夠的裕度達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。

利用ADS對晶體管建立直流掃描電路圖，獲得輸出特性曲線。確定在VGS=0.44V，VDS=2V時，Ids=12mA，設(shè)置電源VDD=2.5V，可得總體功耗為30mW（因?yàn)轭l率較高，各個參數(shù)的損失消耗比較大，要為其他參數(shù)盡可能的留有更大的裕度）。完成直流偏置。

2.4 穩(wěn)定性分析

放大器的穩(wěn)定性分析在放大器設(shè)計(jì)中一項(xiàng)重要步驟。放大器絕對穩(wěn)定判決條件如下公式[4]：

只有同時滿足（1）～（4）式，才能保證放大器處于絕對穩(wěn)定狀態(tài)。

基于ADS對放大器電路進(jìn)行穩(wěn)定性分析時，可利用穩(wěn)定性因數(shù)Stab_face（s）或Stab_means（s）可以直接對晶體管進(jìn)行穩(wěn)定性分析，當(dāng)Stab_face（s）>1或Stab_means（s）

<0時即可判定晶體管處于絕對穩(wěn)定狀態(tài)[5]。

要使低噪聲放大器正常工作，電路必須全頻帶穩(wěn)定，但是通過對電路進(jìn)行S參數(shù)掃描得知電路雖然在4.4GHz穩(wěn)定系數(shù)大于1，但在低頻時卻不穩(wěn)定。要想系統(tǒng)穩(wěn)定，主要有四種方式，分別是串聯(lián)電阻法、串聯(lián)電感并聯(lián)電容法，1/4λ波長微帶線法和源級負(fù)反饋。

串聯(lián)電阻法，雖然能顯著增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但會增大系統(tǒng)損耗并且會引入噪聲，首先排除;

串聯(lián)電感并聯(lián)電容法，主要利用了電感通直流阻交流器件特性，電容的通交流隔直流特性，實(shí)現(xiàn)對高頻信號的隔離作用。串聯(lián)電感并聯(lián)電容形成了諧振回路，會阻隔諧振頻率下的高頻信號，從而實(shí)現(xiàn)改善系統(tǒng)的穩(wěn)定。

1/4λ波長法，主要是利用了微帶線傳輸定理，1/4λ的波長的微帶線，在特定頻率的信號下，會等效為電感（串聯(lián)1/4λ微帶線）、電容（并聯(lián)1/4λ微帶線），形成諧振回路，改善系統(tǒng)穩(wěn)定性。

源級負(fù)反饋方式，是增加系統(tǒng)負(fù)反饋的方式，以犧牲一定增益為代價，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.5 穩(wěn)定性與直流工作點(diǎn)綜合設(shè)計(jì)

在2.3節(jié)直流工作點(diǎn)分析中的仿真基礎(chǔ)之上，將穩(wěn)定性設(shè)計(jì)和偏置電路設(shè)計(jì)相結(jié)合，將兩者之間的相互影響聯(lián)系起來，實(shí)現(xiàn)同分析、同設(shè)計(jì)、同仿真，可節(jié)約設(shè)計(jì)時間成本[6]。這里選用1/4λ波長微帶線法和源級負(fù)反饋。因電路本身都是由一段微帶線阻成，方便實(shí)現(xiàn)而且成本較低;引入源級負(fù)反饋是因?yàn)樾酒脑醇壉旧砭鸵拥?，既可以增?qiáng)電路的穩(wěn)定性，也可以能模擬芯片焊盤對電路的影響，提高系統(tǒng)仿真的可靠性。

由圖3可知電路已經(jīng)全頻帶穩(wěn)定，而且增益裕度充足。在設(shè)計(jì)電路時發(fā)現(xiàn)微帶線較寬時（阻抗為50Ω），系統(tǒng)的噪聲系數(shù)下降特別嚴(yán)重，后來調(diào)整微帶線寬度為30mil后（阻抗約為70Ω），噪聲系數(shù)有了一定的改善。

2.6 匹配電路

因?yàn)椋倦娐肥且獙?shí)現(xiàn)低噪聲放大器，因此這里的輸入阻抗應(yīng)以最小噪聲系數(shù)的阻抗點(diǎn)進(jìn)行共軛匹配。

接下來通過輸入阻抗控件來觀察輸出阻抗，進(jìn)行共軛匹配。匹配完成后調(diào)整電路如圖4所示。

3.版圖的設(shè)計(jì)與電磁場仿真

通過Layout>>Generate/Update Layout生成版圖，調(diào)整后的版圖如圖5

建立聯(lián)合仿真原理圖如圖3.2所示

通過聯(lián)合仿真并優(yōu)化后的最終結(jié)果如下。

由圖8可以看出，系統(tǒng)全頻帶穩(wěn)定。由圖12可以得知系統(tǒng)最終的噪聲系數(shù)NF=1.69dB，明顯小于原理圖仿真，主要原因應(yīng)該板材的阻抗較大，對噪聲有一定的抑制能力。由圖3.5可以看到電磁場仿真與原理圖仿真總體的趨勢相同，但還是有一定的差別，主要表現(xiàn)在反射系數(shù)減小，增益減小。最終的系統(tǒng)參數(shù)為S11=15.597dB，S21=10.887dB，S22=11.415dB。

因此，電路系統(tǒng)最終的所有參數(shù)都達(dá)到了要求。

4.總結(jié)

利用ADS仿真軟件完整設(shè)計(jì)與仿真了一個基于晶體管ATF-55143低噪聲放大器，采用1/4λ波長微帶線法和源級負(fù)反饋的方法，將直流工作點(diǎn)與穩(wěn)定性設(shè)計(jì)相結(jié)合的方法，在達(dá)到噪聲匹配、最小的反射匹配的同時，通過在放大器的偏置電路的源級引入1/4λ微帶線形成負(fù)反饋的方式，使放大器電路在全頻段內(nèi)滿足穩(wěn)定性要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 衛(wèi)少卿，寇陽.一種K波段低噪聲放大器的設(shè)計(jì)[J].無線電工程，2018，48（7）：584-587

作者簡介：任朝陽（1996～），本科，助理工程師，從事宇航測控通信領(lǐng)域調(diào)試與測試研究。

張凱（1992～），碩士，助理工程師，從事宇航測控通信領(lǐng)域研究。