基于ADS的S波段平衡式宽带低噪声放大器设计

摘要：针对宽带雷达接收前端的应用，基于ADS软件设计了一种S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。在此将原理图一版图联合仿真用于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。
关键词：平衡式放大器；ADS联合仿真；90°。宽带功分器；Spice模型

0 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。低噪声放大器位于雷达接收系统的前端，其主要功能是将来自天线的微弱信号进行小信号放大。因为LNA位于整个接收放大电路的最前端，所以它的噪声系数直接影响了整个雷达接收系统的噪声系数和灵敏度。同时，LNA的输入／输出驻波比也影响着整个链路的性能。LNA不仅仅被应用在雷达接收系统中，目前已被广泛应用于通信、电子对抗以及遥控遥测系统接收设备中。研制出性能优良的微波低噪声放大器对满足市场需求具有重要意义。
    ADS(Advanced Design System)是Agilent公司推出的微波电路和通信系统仿真软件。其功能非常强大，仿真手段丰富多样，可实现包括时域和频域、数字与模拟、线性与非线性、噪声等多种仿真分析手段，并可对设计结果进行成品率分析与优化，从而大大提高了复杂电路的设计效率，是非常优秀的微波电路、系统信号链路的设计工具。主要应用于：射频和微波电路的设计，通信系统的设计，DSP设计和向量仿真。本文着重介绍如何使用ADS进行低噪声放大器的设计。

1 宽带及平衡式放大器的设计理论
    宽带放大器的设计主要是解决补偿品体管增益随频率增大而下降的问题。常用宽带放大器主要有以下几种：分布放大器、负反馈放大器、补偿匹配网络放大器和平衡式放大器。分布放大器使用器件过多，调试复杂，一般用于单片宽带放大MMIC；负反馈放大器能反馈有平坦的增益并降低输入／输出电压驻波比，但限制了最大功率增益并增加了噪声系数；补偿匹配网络放大器中的匹配网络还要为获得小的输入／输出驻波比和噪声等指标服务，设计相当困难，并且一般需要多级配合。平衡放大器虽然电路面积和耗电比单路放大器增加了一倍，但有良好的输入／输出驻波比以及增大3 dB的功率容量。成为宽带放大器的一种重要形式。平衡式放大器常采用的结构形式如图1所示。

    进入输入耦合器端口1的功率在幅度上被分成两部分，它们到达端口2和端口3的时候有90°相位差，而端口4没有功率输出。输出耦合器通过引入90°的附加相移，使两个放大器的输出信号恢复同向，再把功率合成起来。这里将两个放大器分别标记为A，B，其S参数分别为，则整个放大器的S参数为：
   
    式中1／2为耦合器的3 dB衰减；由于3端口有90°的相移，负号表示信号两次经过3端口所产生的180°总相移。如果放大器的两个支路完全相同，则两路放大器的S参数完全相同，则|S11|=|S22|=0，也就是平衡式放大器有很好的输入／输出驻波比性能，同时平衡式放大器的正向、反向增益等于每个支路的相应增益。
    对于LNA而言，由于耦合器的损耗，平衡式放大器的噪声系数有相应的增大。由公式：
   
    可得，输入端耦合器的损耗将直接加在平衡式LNA的噪声系数上。与在LNA前加隔离器等同样改善驻波比的电路相同，这是必须要付出的一个代价。

2 LNA的指标和设计
2．1 LNA设计指标
    LNA设计指标如表1所示。

2．2 微带线的设计
    S波段的电路主要采用分布式参数进行设计。因为频率较高，所以微带线的性能对信号传输的影响很大。在该设计中，除了微带线采用50 Ω特征阻抗以外，对微带线的拐角用HFSS进行了专门的性能仿真和设计。仿真模型如图2所示。

    经过仿真，确定微带线拐角的切角长度大致为50 Ω微带线宽度的20％时传输效果最好。
2．3 分支低噪声放大器仿真和版图设计
    平衡式LNA的每一支路的LNA为相同性能的两个LNA。在该设计中重点关注它们的增益平坦度和噪声系数的指标，因为平衡式放大器输入／输出驻波比这一性能由耦合器来决定，所以设计分支放大器时，驻波比可以先不关注。
2．3．1 晶体管的选择和偏置电路的设计
    晶体管选择AVAGO公司的EPHEMT(增强型假晶高电子迁移率晶体管)ATF-54143。AVAGO公司提供可以在ADS软件里进行仿真的ATF54143的Spice模型，所以可以直接在ADS里做放大器的直流、交流、S参数、谐波等各类仿真而不必受到在一定偏置条件下S参数的束缚。由ATF54143的芯片资料以及综合考虑噪声系数等因素，该设计确定ATF54143的偏置为Vds=3 V，Id=25 mA。经过仿真优化以及考虑到标称电阻值的问题，最后确定的偏置电路如图3所示。

2．3．2 源极反馈电路的设计
    一般的放大器网络为共源极结构，栅极为输入端，漏极为输出端。放大器能正常工作的前提是电路是稳定的，即稳定因子K>1。改善放大器稳定性的途径有在栅极加串联电阻和增加反馈电路等。在栅极加串联电路虽然可以增加稳定性，但恶化了噪声系数，而源极负反馈因为不涉及电路的信号通路，所以对放大网络噪声的影响很小。通过给晶体管加入源极负反馈，可以改善晶体管的稳定状态。通常源极负反馈都是加入电感性元件。但是电感值通常太小，所以不用集总元件实现，而是使用终端短路微带线来实现。该设计采用源极加终端短路微带线的方式，通过ADS仿真可以较为准确的评估晶体管的稳定性。
2．3．3 输入／输出匹配设计和仿真
    在设计匹配网络的时候，选择合理的拓扑结构对于低噪声放大器的设计至关重要。本文采用的拓扑结构是并联导纳式结构，即利用串联微带传输线进行导纳变换，然后并联一个微带分支线，微带线的终端开路(或短路)，用其输入导纳作为补偿电纳，以达到电路匹配。因为是最前端的低噪声放大器，所以输入端匹配电路按照最小噪声系数进行匹配，当ΓS=Γopt时，噪声系数最小，NF=NFmin。当ΓS≠Γopt时，
   
    选取等噪声系数圆上的最佳噪声系数点的阻抗做输入端匹配。输入端匹配完成之后，输出端匹配按照最大增益进行匹配。在ADS里可以进行原理图和版图仿真的调谐和优化。因为频带内增益平坦度也是一个重要指标，所以在设计的过程中增益平坦度和噪声系数之间需要做一个折中和妥协。分支LNA的版图如图4所示。

    ADS中可以把layout中的无源电路和原理图中的元器件有机结合在一起进行联合仿真，既考虑到了版图的场的效应，又考虑到原理图中有源器件和集总元件的路的效应。这样仿真结果和实测结果可以非常接近，大大缩短制版调试的周期。由仿真结果可以得出：分支LNA的增益达到了10．6 dB，频带内增益平坦度小于0．5 dB，噪声系数小于1．003 dB，稳定性系数K在1．02～1．06之间。放大器为无条件稳定。因为设计中使用的为ATF54143的Spice模型，因此在ADS中可以作谐波仿真。由仿真结果可得，分支LNA的输出P1 dB压缩点为17．7 dBm，此时输入功率为8．5 dBm。由ATF54143的芯片资料可得，该晶体管的输出1 dB压缩点约为20．4 dBm。因为电路采用晶体管源极负反馈以及宽带低噪声匹配牺牲了部分增益，所以电路的1 dB压缩点有约2 dB多的下降。
2．4 90°宽带功分器的仿真和版图设计
    在S波段，通常的90°分支线耦合器和Wilkinson功分器要做到3～4 GHz的带宽和较好的性能需要采用两级或更多，尺寸会较大(3～4 GHz两级分支线耦合器在RO4003射频板上的尺寸达到了10 mm×20 mm)。而Wilkinson功分器要达到宽带性能也要牺牲尺寸，并且还需要解决一个宽带90°微带延长线的问题。而采用MiniCircuits公司的QCS-442+90°宽带功分器，在电性能较好的同时可以有很小的尺寸，这给平衡式放大器的设计带来了新的思路。

    为了验证QCS-442+90°功分器的性能，在ADS里用QCS-442+90°功分器的S参数模型进行原理图版图联合仿真，如图5所示。
2．5 平衡式放大器的版图设计和联合仿真
    将90°宽带功分器和分支放大器的版图合在一起，进行原理图-版图的co-simulation，如图6所示。

    仿真结果如图7～图10所示。由仿真结果可以得出，受益于90°宽带功分器的良好性能，该平衡式LNA的输入／输出驻波比在设计频带内很好。因为输入端90°宽带功分器的插入损耗，所以放大器增益减小，噪声系数增大，但也都在可接受的范围之内。用谐波平衡法仿真该平衡式放大器的P1 dB压缩点等性能。仿真结果如图10所示。

    由图10可知，该LNA的输入1 dB压缩点为12 dBm，输出1 dB压缩点为20．5 dBm。正好比每个分支的LNA的P1 dB值大3 dB。

3 结语
    低噪声放大器设计主要考虑的指标是放大器噪声系数和增益，但是这通常会牺牲放大器输入驻波比的性能。并且低噪声放大器为晶体管小信号放大，动态范围较小，又在雷达接收通道的最前端，很容易因为外来的大信号而饱和。平衡式放大器能够在增加一定的噪声系数和损失一定的增益的条件下较好的改善输入／输出驻波比，同时平衡式低噪声放大器的功率容量比单路放大器大一倍，可以有效增大接收机的动态范围。高电子迁移率晶体管具有良好的噪声和增益特性，是设计低噪声放大器的较好选择。同时随着制造技术的提高，新型90°宽带功分器能够比通常的微带形式的耦合器有更小的体积，给相应频段的平衡式放大器带来了新的设计思路。Agilent的ADS是功能强大的射频微波仿真平台，可以提供丰富且精确的器件仿真模型，使得设计更加贴合实际的电路。在射频微波电路的设计中使用ADS软件防真可以在设计中预先对电路的性能进行较为精确的优化和评估，减小实际电路制造中的风险，缩短研发周期，节约研发成本。
    本文给出了基于ATF54143的S波段平衡式低噪声放大电路的设计、仿真分析。仿真结果表明，所设计的低噪声放大器在3～4 GHz，噪声系数大小于1．5 dB，增益为(9．6±0．3)dB，输入／输出驻波比不大于1．3，输出1 dB压缩点为20．5 dBm。