低噪声放大器的设计与仿真

随着技术与工艺的提高，通信系统中限制通信距离的因素已不是信号的微弱程度，而是噪声干扰的程度。克服噪声干扰是设计电子设备必须考虑的问题。从广义上来讲。噪声是指设计中不需要的干扰信号，然而各种各样的通信信号通常是以电波形式传播，因此，接收有用信号的同时，不可避免地混入各种无用信号。即便是采取滤波、屏蔽等方法，还是会有或多或少无用的信号渗入到接收信道中，干扰后续信号处理。在改善外部干扰的同时，还需充分发挥设计人员的主观能动性，即就是从接收机内部降低设备自身干扰，主要是采用低噪声放大器来实现。因此，这里提出一种低噪声放大器的设计方案。

1 低噪声放大器技术指标与设计原则
1．1 主要技术指标
    低噪声放大器的主要技术指标包括：噪声系数、功率增益、输入输出驻波比、反射系数和动态范围等。由于设计低噪声放大器时，在兼顾其他各指标的同时，主要考虑噪声系数。噪声系数是信号通过放大器(或微波器件)后，由于放大器(或微波器件)产生噪声使得信噪比变坏。信噪比下降的倍数就是噪声系数，通常用NF表示。放大器自身产生的噪声常用等效噪声温度表示。噪声温度与噪声系数NF的关系
   
式中，T0为环境温度，通常以绝对温度为单位，293 K，注意：这里的噪声系数NF并非以dB为单位。
    对于单级放大器，噪声系数的计算公式为
   
式中，NFmin为晶体管最小噪声系数，由晶体管本身决定；Γout、Rn、Гs分别为获得NFmin时的最佳源反射系数、晶体管等效噪声电阻、晶体管输入端的源反射系数。
    而多级放大器噪声系数的计算公式为
   
式中，NF总为放大器整机噪声系数；NF1、NF2、NF3分别为第1，2，3级的噪声系数；G1、G2分别为第1，2级功率增益。
    从式(3)看出，当前级增益G1和G2足够大时，整机的噪声系数接近第l级的噪声系数。因此多级放大器中，第1级的噪声系数大小起决定作用。
1．2 设计原则
1．2．1 晶体管的选取
    射频电路中低噪声晶体管的主要技术指标为：高增益、低噪声以及足够的动态范围。现阶段双极型低噪声管的工作频率可达到几十吉赫兹，噪声系数为几分贝，砷化镓小信号场效应管的工作频率更高，并且噪声系数可达1 dB以下。
    在选取低噪声晶体管时，通常遵循以下2个原则：1)微波低噪声晶体管的噪声系数足够小，工作频段足够高，一般情况下所选择的晶体管的fT要比其工作频率高4倍以上；2)所选的微波低噪声晶体管要有足够高的增益与足够大的动态范围。通常要求放大器的工作增益大于10dB，当输入信号达到系统最大值时，由放大器非线性引起的交调分量小于系统基底噪声。
1．2．2 电路设计原则
    这里的电路设计原则实际就是输入输出匹配电路的设计原则。首先，输入匹配电路的设计原则是：在优先满足最小噪声的前提下，提高电路增益。也就是根据输入等增益圆与等噪声圆选取合适的Гout。如图l所示，通常要求Zout=Zopt，Гout=Гopt。其次，输出匹配电路的基本任务是把微波管复数输出阻抗匹配到负载实数阻抗50 Ω。输出匹配电路主要是提高增益高，因此所设计的输出匹配电路在Zin=ZT*成立才能够实现其任务。再者，放大器设计必须使得所设计的放大器是稳定的，也就是需要满足稳定性条件。最后，在满足指标的同时，重点考虑工艺和结构上的可实现性。工艺上应选择损耗小、易于加工、性质稳定、材料的物理(厚度)和电气性能(介电常数)均匀，同时表面光洁度达到一定要求的印制板。对于基板材料方面FR-4(介电常数4～5之间)与氧化铝陶瓷是常用的微波基板。在PCB布板时还需考虑邻近相关电路的影响。此外应注意滤波、接地和外电路设计中电磁兼容设计原则。

2 低噪声放大器设计步骤
    该设计是借助于功能强大的射频电路设计与仿真软件ADS进行设计的。这里所设计的低噪声放大器是一个结构最简单的单级低噪声放大器，旨在简单明了说明使用计算机辅助设计软件快速设计低噪声放大器。
2．1 指标要求
    为了清楚说明该低噪声放大器的设计过程，其设计指标并不是很高，具体如下：频率范围为2～2．2 GHz；增益G大于15 dB：噪声系数NF小于1 dB；工作电压为5 V；工作电流小于150 mA：输入输出驻波比VSWR小于1．5；输入输出的阻抗为50 Ω；RF信号接头为SMA；外形尺寸为43 mmx26 mmx8 mm。
2．2 设计步骤
2．2．1 晶体管的选型
    通过查阅晶体管生产厂商的相关资料，综合上述低噪声晶体管的选择原则，这里选用Agilent公司的ATF-54143型晶体管。
2．2．2 拓扑结构确足
    在选好晶体管后，理论上就要确定直流工作点。但实际工程实践中，则是直接将所选晶体管的数据资料中的相应S参数写入相应设计软件中，以S参数为模设计电路。S参数能够完全反映晶体管的所有特性，这是因为：1)在对器件内部结构不关心时，只注重其外部特性时，就完全能够以网络参数形式代替这一器件的外部特性；2)晶体管的数据资料的相关参数都是针对实际产品在一定的实验平台下测得的，因此更接近于器件的实际特性。
    图2是对所选择晶体管在ADS中搭建的电路，主要是用于对晶体管的输入阻抗与对应于最小噪声系数的最佳阻抗的测量，这些测量很容易在ADS中实现。

    根据上述关于输入阻抗结果来设计输入匹配网络。该设计满足最小噪声匹配，并兼顾增益指标。其原因可由式(3)得到。这里选用的是PHEMT晶体管，该晶体管能够在噪声系数不是最小时，也能够实现低噪声指标。
    在设计的过程中曾经试图以最小噪声匹配为目标，但是最后在兼顾增益的前提下，选择了最佳增益匹配为目标的设计。但无论是以最小噪声为目标还是以最大增益匹配为目标，在ADS中的实现方式基本是一致的。
    在确定了匹配的目标后，可以很容易运用ADS的设计向导，对匹配电路进行设计。通常情况下选择支节匹配。当选择设计向导中的单支节模块，通过对输入输出匹配参数的设定，就能很容易实现预设的匹配电路。如图3所示。其中，图3(b)为图3(a)中微带支节匹配的具体形式。这里需要说明的是，在设计过程中所选的基板材料为介电常数为4．3的环氧玻璃FR-4，基板厚度为0．8 mm。

    对输入匹配电路设计完成之后，接下来就是对输出匹配电路的设计，使用与输入匹配电路设计中相类似方法，得到输出匹配电路的初值。之所以这里为初值，是因为当按照目标值设计输出匹配电路，输入驻波比达不到指标要求。因此必须对输出匹配电路进行相应调整。为了充分发挥CAD软件优势，这里对匹配电路的调整借助于优化方法，图4为优化电路的原理图。
    最后加上偏置网络进行整体仿真，其实加不加偏置网络对仿真过程影响并不是很大。因为偏置网络是通过高频扼流圈接入的，这就使得射频信号不会对电源部分造成影响，同时，通过一段四分之一波长的传输线引入电源。因此，对于射频电路，电源接入射频电路的接入点相当于对射频信号是开路的，同样直流电源的引入也不会对射频电路造成影响，并且在RF信号的输入端也加入了DC Block，进一步隔断直流对
射频信号的影响。最终电路的拓扑结构如图5所示。

3 设计结果
3．1 仿真结果
    低噪声放大器设计结果如图6所示。从图6可得：在整个频带内，输入输出驻波比VSWRl与VSWR2小于1．5：增益以dB(S(2，1))表示大于15 dB，噪声系数nf(2)小于0．5，而稳定性系数StabFactl以及稳定性因子均大于1，也就是说所设计的低噪声放大器完全满足指标要求。

3．2 版图的设计结果
    利用ADS可以直接由原理图生成版图的特性，首先在ADS中由所完成的原理图生产版图，通过对版图的相应调整，最终以AutoCAD的形式完成版图与结构图的设计，结果如图7所示。

    从图7可以容易发现，版图的设计中，在微带线的两边放置许多小方块，这些小方块是在微波电路设计中经常使用的微调小岛。虽然其调节力度有限，但是有了这些微调小岛，在一定程度上可以节约设计成本：不至于对电路板的调节心有余而力不足，导致无法微调而需再版。版图中扇形开路线的应用，起到了对增益平坦度的调节作用：对于某些较低频率的信号，扇形开路线对这些信号短路，从而降低了低端信号的增益。而做成扇形结构可以大幅提高调节范围。在结构方面需要补充说明的一点是：盒体窄边尺寸必须小于工作频段最高频率波长的二分之一，这一要求受限于截止波导相关理论。

4 结束语
    通过简单的低噪声放大器的设计与仿真，论述了整个低噪声放大器的设计流程。尤其对ADS中如何实现低噪声放大器做了较为详细的论述，充分体现了计算机辅助设计的优势。在匹配电路的设计中，采用开路支节匹配电路；在版图的设计中，有关扇形开路支节的内容，同样是对四分之一波长阻抗变换理论的体现；在结构设计中也涉及到了截止波导相关理论的应用，这一切都充分体现了理论与实践的完美结合。