S波段低噪声放大器稳定性设计范文

摘要：为了加快低噪声放大器的设计过程，采用全微带匹配技术，使用ADS软件设计了一款应用于2．2～2．3GHz频段的低噪声放大器。该放大器选用Agilent公司的高电子迁移率晶体管ATF－34143，根据噪声系数和高增益的要求进行两级放大器电路的设计，为提高设计效率，将偏置电路与稳定性设计相结合。仿真结果表明，在设计频段内，增益大于23dB，噪声系数小于0．6dB，输入输出驻波比小于1．2。

关键词：低噪声放大器；ADS；高电子迁移率晶体管；稳定性设计

低噪声放大器是射频接收机前端的重要部件，其主要作用是放大天线接收到的微弱信号，并尽可能地降低噪声干扰，以提高系统接收灵敏度［1］。随着无线通信技术、雷达技术的快速发展，人们对系统灵敏度提出了更高的要求。因此，研制具有高增益、宽频带、低噪声的微波射频放大器，已成为现代微波电路设计的核心技术之一。为了提高电路设计效率，采用偏置电路设计与稳定性设计结合在一起的分析方法。首先，根据设计指标选择合适的有源器件，并确定其静态工作点；通过合理设计匹配电路，以及将偏置电路设计与稳定性设计综合在一起考虑的方法，达到降低电路噪声系数和输入输出驻波比，提高增益的目的；最后采用微波仿真软件ADS对电路进行整体的优化、设计。

1设计方法

根据微波网络理论设计低噪声放大器，图1为晶体管放大器电路原理框图。其中，ΓS为源反射系数；ΓL为终端负载反射系数；Γin和Γout分别为晶体管的输入输出反射系数。不同的ΓS和ΓL决定着晶体管放大器电路的稳定性、噪声参量、增益和电压驻波比等性能参数［2］。设计低噪声放大器电路的过程就是根据其增益、噪声系数及驻波比等设计要求，并结合晶体管S参数来确定ΓS和ΓL，然后再由ΓS和ΓL的值确定电路的输入和输出匹配网络，最后完成整个电路的设计工作。

2方案阐述

2．1设计指标主要技术指标：工作频带2．2～2．3GHz；增益大于20dB，带内波动小于1dB；噪声系数小于1dB；输入输出回波损耗小于－10dB；输入驻波比小于1．5；输出驻波比小于1．5。

2．2方案确定根据上述指标要求，采用两级放大的电路设计方案。整体电路主要由输入输出匹配电路、偏置电路及两级放大电路组成。多级级联放大器电路的噪声系数公式［3］其中Fn和Gn分别为第n级放大器电路的噪声系数和增益。由此可看出，当第一级增益较大时，级联放大器总的噪声主要取决于第一级电路的噪声，所以第一级放大器对噪声系数影响较大，设计时应选择优质器件；而第二级主要考虑增益，并要求级间和后级有最大传输功率。在器件的选择方面，选用Agilent公司的ATF－34143低噪声管，由数据手册可知，在0．5～10GHz的较宽频带内，晶体管具有噪声系数低、增益高、输入输出易匹配和性能稳定等优点，是一款比较成熟的高性能晶体管，能很好地满足设计需求。整个电路集成在同一块基片上，设计选用F4B作为板材，其介电常数εr＝2．65，板材厚度h＝1mm，损耗角正切tanδ＝0．0017。电路匹配的传输线阻抗和电长度可基于以上参数，利用ADS等微波仿真软件快速计算得到。2．3静态工作点的选择静态工作点的选择对电路正常工作有很大影响。从晶体管ATF－34143的数据手册可看出，图2（a）、（b）分别是ATF－34143在2GHz时，噪声系数F与 Vds及Id的关系、增益Gain与Vds及Id的关系，当Vds＝3V，Id＝20mA时，噪声系数接近最小值，增益约为17dB，晶体管工作为最佳状态，满足设计要求。因此，晶体管的静态工作点选为Vds＝3V，Id＝20mA。

3电路设计与仿真

3．1稳定性分析稳定性是放大器的一个重要性能指标。稳定性通常分为2种情况：1）绝对稳定状态。在这种情况下，放大器电路对于任意无源负载和信号源阻抗，都能稳定工作。2）条件稳定状态。此时，电路的负载阻抗和信号源不能随意选取，否则会引起电路自激振荡的产生。放大器在工作频带内能否达到稳定，由以下条件决定［4］：式中，K、b称为稳定性判别系数，Δ＝S11S22－S12S21，K＞1且b＞0时为稳定状态，只有当式（2）～（5）同时满足时，才能保证放大器处于绝对稳定状态。为防止放大器在通频带内产生自激振荡，在设计偏置电路和匹配电路前，需要先对管芯的S参数进行稳定性扫描分析。图3给出了晶体管ATF－34143在Vds＝3V，Id＝20mA偏置条件下的稳定性仿真结果。由图3可见，当频率小于6GHz时，稳定性判别系数K＜1，b＞0，管芯处于不稳定的工作状态。通常使用以下3种方法提高电路的稳定性：1）在电路的输入或输出端串联或并联电阻，利用其阻性终端的特性消耗部分能量，降低放大器的增益，其缺点是增大了系统的噪声系数；2）通过源极引入负反馈来改善低频段稳定性，但这种方法容易引起高频段的不稳定；3）采用漏极负反馈来提高晶体管稳定性［5］。设计综合采用源极引入负反馈和漏极接入有耗元件的方法，使放大器在工作频段内达到绝对稳定状态。

3．2直流偏置电路分析在拟定的静态工作点下，直流偏置电路决定晶体管放大器能否正常工作是设计的关键部分。考虑到设计指标对噪声系数、增益等要求较高和后续电路调试需要，本设计采用了双电源供电模式［6］，栅极和漏极偏置网络均按图4所示模型进行设计。在栅极偏置网络中，Port1一端接入微波通路，另一端通过接入一小段λ／4高阻微带线来遏制交流信号对直流电源的影响。文献［7］指出，电阻R1的值与噪声系数密切相关，电阻R1越大，噪声越大，为得到良好的噪声系数，电阻R1的值应尽可能地小。电容C1应选取谐振频率在中心频率附近的电容，目的在于使得Port1处对设计频段内的微波信号呈现较大的阻抗［8］。电容C2和C3作为电源的去耦电容，其目的主要是滤除电源的低频噪声，以防止电源噪声进入微波通路。

3．3稳定性和偏置电路综合设计采用将偏置电路设计与稳定性设计结合在一起分析的方法，将两者之间的相互影响联系起来进行综合设计，可提高设计效率。通过源端串联一个短路微带线，形成负反馈，同时在漏极加入一个电阻，进一步地提高低频稳定性。经过反复调试和优化，最终使电路在频带内处于绝对稳定状态。图5为稳定性和偏置电路综合考虑时的电路设计原理图。表1为电路稳定性仿真结果，由表1可看出，在0．5～10GHz的频率范围内，稳定性判别系数K＞1，b＞0，说明放大器电路在整个工作频带内处于绝对稳定的工作状态。

3．4单级电路设计匹配电路设计对整个放大器起关键作用，最终决定了电路噪声系数、增益和输入输出端口驻波比等［9］，匹配电路由输入输出匹配及级间匹配电路构成。对于工作在S波段的低噪声放大器，电路的输入输出匹配网络采用由几段串联或并联的微带线组成的分布参数元件构成。为在设计频带内获得满意的匹配效果，通常先对中心频率处进行匹配设计，然后再在整个频带范围内对电路进行微调并优化［6］。在本设计中，匹配电路采用T型网络结构，对输入端进行匹配时，要以实现最佳噪声为目的进行匹配，对输入匹配网络进行微调，同时严格控制电路噪声系数，且兼顾增益、输入驻波比等，输出匹配电路主要用于提高电路增益，改善增益平坦度和降低输出驻波比等。在初步确定了各匹配电路结构后，利用ADS软件强大的优化仿真和调谐功能对电路整体进行优化，通过在ADS里设置匹配网络为优化目标，优化得到各段微带线的最佳尺寸，以确保各项指标均满足设计要求。图6为单级电路整体仿真原理图，其中，Ⅰ表示输入匹配网络；Ⅱ表示栅极偏置网络；Ⅲ表示微带线构成的源极负反馈；Ⅳ是为改善电路低频稳定性而串联的电阻。单级低噪放的输入、输出端回波损耗和驻波比分别如图7、8所示。在2．2～2．3GHz频带内，电路的输入输出端回波损耗小于－15dB，输入输出端口电压驻波比均小于1．2，端口阻抗匹配得比较好：由图9可知，单级放大器的增益最高达到12dB，反向传输系数S12小于－15dB。由图10可知，输出端口的噪声系数小于0．5dB，表明电路的噪声匹配特性较好。

3．5两级电路仿真优化结果由于单级电路难以满足增益指标的要求，未能很好地抑制后级电路产生的噪声影响，因此需要进行电路的两级级联设计，把增益提高到20dB以上。电路的仿真和整体优化仍然在微波仿真软件ADS中进行，将2个单级放大器电路进行级联设计。以单级低噪声放大器电路仿真结果为基础，按照设计指标要求，将电路的噪声参量、增益、输入和输出端口驻波比等参数设置为优化目标，将各微带线的尺寸、电容和电阻值设置为优化变量，对电路进行整体优化、调整。放大器电路的各项参数相互制约和影响，不能同时取得最佳值，故设计时应有所取舍，以使低噪声放大器电路各项性能达到指标要求。图11给出了两级低噪声放大器电路原理图。电路的整体仿真优化结果如图12～14所示。由图可知，在设计频带范围内，电路的输入、输出驻波比均在1．2以下，匹配特性良好；电路增益大于23dB，且增益平坦度在±0．5dB范围内；输出端口的噪声系数小于0．6dB，在保证低噪声放大器得到较低噪声系数的条件下，同时获得了较低的驻波比，电路满足整体设计指标要求。

4结束语

基于晶体管ATF－34143设计了一款S波段低噪声放大器。采用源级引入负反馈和漏极接入有耗元件的方法，在达到噪声匹配和最小输入反射匹配的同时，通过在偏置电路和主传输线的恰当位置引入有耗电阻，满足了放大器电路在设计频段内稳定的要求。同时，本设计各项指标虽然达标，但是电路仍然有一些地方需要改进，如电路的增益平坦度不够平稳，变化范围比较大，这有待在下一步的研究中加以改进。

参考文献：

［1］徐兴福．ADS2008射频电路设计与仿真实例［M］．北京：电子工业出版社，2009：118－121．

［2］潘安，成浩，葛俊祥．X波段低噪声放大器的设计与仿真［J］．现代雷达，2014，36（1）：66－70.

［4］王振朝，种少飞，韦子辉，等．射频低噪声放大器设计与仿真［J］．电视技术，2014，38（5）：81－88．

［5］马群．S波段低温低噪声放大器［J］．低温与超导，2013，41（8）：89－92．

［6］程曦，邱义杰．6～18GHz小型化低噪声放大器的设计［J］．微波学报，2012，28（5）：85－88．

［7］王龙龙，项铁铭，张范琦．X波段低噪声放大器的仿真与设计［J］．杭州电子科技大学学报，2015（4）：11－15．

［9］韦可雷，郭敏，黄雷，等．2．4GHz低噪声放大器设计［J］．电子设计工程，2016，24（18）：172－174．

作者：李占祥 岳宏卫 吴超飞 龚全熙 单位：桂林电子科技大学