3-44Ku频段低噪声放大器的设计

第三部分微波毫米波有源器件及电路715Ku频段低噪声放大器的设计吴辉，唐小宏电子科技大学电子工程学院四川成都610054摘要：本文介绍了低噪声放大器的设计理论及方法，设计了一款Ku频段低噪声放大器。电路采用三级放大的结构形式。利用微带电路实现输入、输出和级间匹配。采用了Agilent公司的微波电路CAD仿真软件ADS进行了仿真与优化。并对电路增益、噪声系数、驻波比、稳定系数和输出1dB压缩点等特性进行了研究。LNA的工作频段为15.42～15.5GHz，增益大于27dB，噪声系数小于2.1dB，1dB压缩点的输出功率在8dBm以上，带内平坦度为0.3dB。关键字：Ku频段，低噪声放大器，ADS仿真，噪声系数DesignofKuBandLowNoiseAmplifierWuHui,TangXiaohong(SchoolofElectronicEngineering,UESTCofChinaChengdu610054)Abstract:Thedesigntheoryandmethodoflownoiseamplifier(LNA)isintroduced.AndaKubandLNAisdesigned.Thecircuitisusedofthreestageamplifier.Inputoutputandstagematchingnetworkdesignedinmicrostrip.ThewholedesignissimulatedandoptimizedbyAgilent’smicrowavecircuitCADsoftwareADS.Thegain,noisefigure(NF),VSWR,stabilityandP1dBisdiscussed.Itsoperationbandis15.42~15.5GHz,gain27dB,NF2.1dB,P1dB8dBm,in-bandflatness0.3dB.KeyWords:Kuband,LNA，ADS，NF1引言低噪声放大器(LowNoiseAmplifier)简称LNA的主要作用是在产生比较低噪声的情况下，把天线接收过来的微弱信号放大。LNA作为接收系统的关键器件之一，其设计对接收系统的性能水平有重要的决定作用。LNA的噪声系数不仅决定了整个接收前端系统的噪声性能，还直接反映了接收机的灵敏度。在LNA的设计中，主要需要做的工作是直流偏置工作点的选择和输入输出及各级间的匹配。为了有效地减少设计周期，节省设计时间及成本，提高设计的准确性及效率，结合LNA的相关理论采用微波电路CAD软件ADS软件进行了电路的设计。由于LNA工作在Ku频段，为了尽量减小直流偏置电路所产生的寄生参量对匹配电路的影响，使用ADS自带的基于矩量法的二维半场仿真工具momentum进行了偏置电路的设计。2放大器的设计本文设计的低噪声放大器应用于某低噪声高性能的接收机前端系统中，所要求的技术指标如下：①工作频率15.42～15.5GHz；②噪声系数小于2.1dB；③增益大于27dB；④带内平坦度为0.3dB；⑤P1dB大于8dBm。2.1电路形式与器件的选择考虑到小型化及在系统中前后连接的方便，电路采用了广泛使用的微带结构形式。由于增益要求大于27dB，考虑到一般一级放大器的增益只有10dB左右，要达到指标必须采用三级放大的结构，级间使用贴片电容进行级间的耦合。为了实现噪声系数小于2dB的要求，放大器的第一级的噪声系数要尽可能地低，我们选用了NEC公司的NE3210S01来做第一级。NE3210S01是PHEMT管（赝配高电子迁移率晶体管），具有极低的噪声性能和极高的频率特性。在我们所需要的频段，其噪声系数的典型值为0.5dB。第二和第三级主要是从增益及功率容量进行考虑，由于NE3210S01的P1dB只有5dBm左右，为了能够满足指标，后两级采用了P1dB大于10dBm2007年全国微波毫米波会议论文集716的Transcom公司的TC2181场效应管。2.2放大器的稳定性选定了合适的器件后，为了让放大器能够稳定地工作，不出现振荡自激，我们需要对管子的稳定性进行分析。放大器的稳定性判断条件如下：22112211221221122112SSSSSSKSS，(1)公式（1）中的K被称为晶体管的稳定系数，当K1时，对所有的信源与负载终端来说，放大器都是无条件稳定的；当K1时，放大器是有条件稳定，为了不产生振荡，需要对接在输入和输出端上的阻抗值加以限制，以避开不稳定区域，或者使用负反馈等方法来改变其S参数使其绝对稳定。经计算，可以得知NE3210S01与TC2181在所需的工作频段15GHz以上都满足K1的绝对稳定条件。2.3噪声系数及增益在多级部件互联的系统中，总的噪声系数由下式决定：32111211tFFFFGGG(2)公式（2）中，Ft为总噪声系数，F1，F2，F3分别为第一级，第二级，第三级放大器的噪声系数；G1，G2，G3分别为第一级，第二级放大器的增益。可以看出第一级放大器性能，从基本上决定了整个电路的总噪声系数：第一级放大器的噪声系数越小，增益越大，整个电路的噪声系数就越小。所以在设计中，第一级放大器应该采用最佳噪声系数设计。在最佳噪声系数状态时，放大器的增益不会太高，为了满足整个电路的增益要求，后面两级应该采用最大资用功率设计。同时由于晶体管在频率高端的增益要比频率低端时小，为了满足平坦度要求，后两级在设计时应该使晶体管在频率中高端达到最大增益。2.4匹配电路的设计为了使晶体管能够工作在所需要的工作状态，如最佳噪声或者最大资用功率，需要设计合适的源阻抗和负载阻抗与晶体管进行匹配，但由于平时所使用的信号源及终端负载的阻抗在一般情况下都是50Ω，所以输入及输出匹配电路的作用就是将标准的50Ω变换到晶体管所需要的阻抗上。同时，晶体管作为有源器件，需要合适的直流电源进行偏置，以达到其所需的工作点。偏置电路的作用就是在将直流馈入管子的同时，不对电路上的微波信号传输产生不良影响，不让微波信号从偏置电路泄漏出去。在相同的特性阻抗下，微带线的长度与宽度取决于基片的厚度及相对介电常数。在基片厚度不变的情况下，基片的相对介电常数越大，微带线的宽度就越窄。为了尽量减小体积，本电路的采用了相对介电常数较高的TACONIC公司的CER－10材料基片，其相对介电常数εr=9.5，厚度H=0.635mm，铜箔厚度T=0.018mm。用ADS的传输线计算工具Linecalc算得在所需工作频段上50Ω的传输线宽度约为0.66mm，四分之一波导波长约为1.84mm。因为放大器的相对带宽较窄，所以匹配电路采用Г型和反Г型结构进行匹配。为了避免在匹配电路中使用过多通孔增加其寄生参量，选择终端开路支节进行匹配支节。第一级放大器采用最佳噪声系数设计，将NE3210S01的S参数模型导入ADS进行计算后，可以得出其最佳噪声源反射系数为Гopt=0.314-143.58o。利用史密斯圆图，可以得到其支节线的长度。完成输入端的匹配后，对输出端进行共轭匹配。第二、三级放大器采用最大资用功率设计，将TC2181的S参数模型导入ADS后得到其输入端反射系数为Гs=0.843.62o，同样利用史密斯圆图完成输入匹配后再对输出端进行共轭匹配即可获得最大增益。由于Г型支节的交接处的不连续性会对传输线的有效长度有影响，我们在ADS里面建立如图1所示的仿真模型进行优化仿真。仿真结果如图1，图2所示。在所需工作频率，噪声系数小于1.5dB，增益大于28.5dB。15.215.415.615.815.016.01.31.41.51.61.21.7freq,GHznf(2)图1三级放大器的噪声系数第三部分微波毫米波有源器件及电路71715.215.415.615.815.016.02426282230freq,GHzdB(S(2,1))图2三级放大器的增益图3ADS里面的仿真模型2.5直流偏置电路的设计按放大器的供电方式，可以将其分为单电源供电和双电源供电两种。单电源供电虽然只需一个直流源，但因为其结构需要在源极接上电阻进行自分压，而源极接上电阻后会使放大器的增益下降，噪声系数上升。所以偏置电路采用了正负电源的双电源供电。正压Vds及负压Vgs通过/4g的高低阻抗馈入。为减小偏置电路对信号传输的影响，采用ADS自带的momentum软件进行仿真优化。图4偏置电路在momentum的仿真模型15.215.415.615.815.016.0-0.030-0.029-0.028-0.027-0.031-0.026freq,GHzdB(S(2,1))图5偏置电路的仿真结果3测试结果最后的LNA电路图如图6所示，整个电路的尺寸为45mm×13mm，A为输入端口，D端为输出端口，B、C是为了方便对每级电路放大器进行调试而设置的测试端口，在使用时通过贴片电容进行耦合输出。整个在噪声分析仪（AgilentN8975A）上测试后得到，在15.42~15.5GHz，噪声系数小于2.1dB，增益大于27dB，带内平坦度为0.3dB左右。测试结果如图7所示。由测试结果可以看出LNA的测试与仿真基本吻合，达到技术指标要求。图8为放大器的实物图。图6最终的LNA版图图7噪声系数与增益的测试图2007年全国微波毫米波会议论文集718图8放大器的实物图4结论本文对Ku波段的微带低噪声放大器的设计进行了讨论。叙述了如何利用在ADS中场路结合地进行设计仿真。制作了一款工作在Ku波段的低噪声放大器，实际尺寸小，测试指标良好。对低噪声放大器的设计人员有一定参考价值。参考文献[1]顾其诤，项家桢，袁孝康，微波集成电路设计，人民邮电出版社，1978[2]陈天麒，微波低噪声晶体管放大器[M].北京：人民邮电出版社，1993[3]清华大学微带电路编写组，微带电路.北京：人民邮电出版社，1976[4]《中国集成电路大全》编委会，微波集成电路北京：国防工业出版社，1998