O 引言

　　低噪聲放大器(low noise amplifier，LNA)是射頻接收機(jī)前端的重要組成部分。它的主要作用是放大接收到的微弱信號(hào)，足夠高的增益克服后續(xù)各級(jí)(如混頻器)的噪聲，并盡可能少地降低附加噪聲的干擾。LNA一般通過(guò)傳輸線(xiàn)直接和天線(xiàn)或天線(xiàn)濾波器相連，由于處于接收機(jī)的最前端，其抑制噪聲的能力直接關(guān)系到整個(gè)接收系統(tǒng)的性能。因此LNA的指標(biāo)越來(lái)越嚴(yán)格，不僅要求有足夠小的低噪聲系數(shù)，還要求足夠高的功率增益，較寬的帶寬，在接收帶寬內(nèi)功率增益平坦度好。該設(shè)計(jì)利用微波設(shè)計(jì)領(lǐng)域的ADS軟件，結(jié)合低噪聲放大器設(shè)計(jì)理論，利用S參數(shù)設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，性能指標(biāo)好的低噪聲放大器。

　　1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

　　下面提出所設(shè)計(jì)的寬帶低噪聲放大器需要考慮的指標(biāo)：

　　(1)工作頻帶：10～13 GHz。工作頻帶僅是指功率增益滿(mǎn)足平坦度要求的頻帶范圍，而且還要在全頻帶內(nèi)使噪聲系數(shù)滿(mǎn)足要求。

　　(2)噪聲系數(shù)：FN<1.8 dB。FN表示輸入信噪比與輸出信噪比的比值，在理想情況下放大器不引入噪聲，輸入/輸出信噪比相等，F(xiàn)N=O dB。較低的FN可以通過(guò)輸入匹配到最佳噪聲匹配點(diǎn)和調(diào)整晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)獲得。由于是寬帶放大器，難以獲得較低的噪聲系數(shù)，這就決定了系統(tǒng)的噪聲系數(shù)會(huì)比較高。

　　(3)增益為25.4 dB。LNA應(yīng)該有足夠高的增益，這樣可以抑制后面各級(jí)對(duì)系統(tǒng)噪聲系數(shù)的影響，但其增益不宜太大;避免后面的混頻器產(chǎn)生非線(xiàn)性失真。

　　(4)增益平坦度為O.3 dB。指工作頻帶內(nèi)增益的起伏，低噪放大器應(yīng)該保持一個(gè)較為平坦的增益水平。由于是寬帶放大器，使得增益平坦度比較小，應(yīng)該在高頻段匹配電路，使頻帶低端失配，從而改善放大器的增益平坦度。

　　(5)輸入/輸出匹配。為了滿(mǎn)足良好的噪聲性能，輸入端口通常失配。此時(shí)，增益將下降，端口駐波比性能變差。此外，由于微波晶體管自身增益大約是以每倍頻程下降6 dB，為了獲得工作頻帶內(nèi)良好的增益平坦度，也要犧牲一定的端口駐波性能。

　　(6)穩(wěn)定度。它是保證放大器正常工作的基本條件。當(dāng)放大器的輸入端和輸出端的反射系數(shù)模都小于1(即|Γ1|<1，|Γ2|<1)時(shí)，不論源阻抗和負(fù)載阻抗如何，網(wǎng)絡(luò)都是穩(wěn)定的，稱(chēng)為絕對(duì)穩(wěn)定;反之，則稱(chēng)為相對(duì)穩(wěn)定。對(duì)條件穩(wěn)定的放大器，其負(fù)載阻抗和源阻抗不能任意選擇，而是有一定的范圍，否則放大器不能穩(wěn)定工作。

　　根據(jù)以上的論述，該設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是保證在較寬帶寬內(nèi)噪聲系數(shù)低和增益平坦。為保證上述設(shè)計(jì)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，采用了兩級(jí)級(jí)聯(lián)的設(shè)計(jì)方案：第一級(jí)根據(jù)噪聲最小設(shè)計(jì)輸入匹配電路獲取優(yōu)良噪聲系數(shù);第二級(jí)根據(jù)功率最大準(zhǔn)則設(shè)計(jì)輸出匹配電路以獲取最大的放大增益。設(shè)計(jì)LNA一般選擇砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管(GaAsFET)，其優(yōu)點(diǎn)是頻率高，噪聲低，開(kāi)關(guān)速度快以及低溫性能好。本文即是選用NEC公司的砷化鎵異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管NE3210S01。

　　2 設(shè)計(jì)方案

　　2.1 穩(wěn)定性分析

　　放大器穩(wěn)定性的判定條件如下：

　　式中：△=S11S12-S12S21;K為穩(wěn)定因子。當(dāng)同時(shí)滿(mǎn)足上面3個(gè)條件時(shí)，放大器絕對(duì)穩(wěn)定。

　　根據(jù)NE3210S01的S參數(shù)模型，通過(guò)軟件仿真計(jì)算，該放大器在全頻帶內(nèi)并非絕對(duì)穩(wěn)定。在漏極串聯(lián)電阻能夠有效地改善穩(wěn)定性并且不會(huì)增加設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。設(shè)計(jì)中在第一級(jí)放大器漏極串聯(lián)1個(gè)10Ω的電阻，使放大器在全頻帶內(nèi)保持絕對(duì)穩(wěn)定，而對(duì)增益的影響卻很小。高頻段放大管都存在內(nèi)部反饋，當(dāng)反饋量達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，將會(huì)引起放大器穩(wěn)定性變壞而導(dǎo)致自激。因此，必須保證放大器的絕對(duì)穩(wěn)定，若放大器不滿(mǎn)足絕對(duì)穩(wěn)定條件時(shí)，需要采取一些措施來(lái)改善放大器的穩(wěn)定性。主要方法有：源極串聯(lián)負(fù)反饋;漏極與柵極間并聯(lián)負(fù)反饋;漏極串聯(lián)電阻和漏極并聯(lián)電阻;插入鐵氧體隔離器。

　　2.2 輸入匹配電路

　　微波器件的二端口網(wǎng)絡(luò)方框圖如圖1所示。其中，Γ1，Γ2分別為輸入和輸出反射系數(shù);Γs，ΓL分別為信源和負(fù)載的反射系數(shù)。

　　圖1中輸入匹配電路設(shè)計(jì)主要考慮放大器的噪聲系數(shù)，按照放大器的噪聲系數(shù)可表示為：

　　式中：FNmin是最佳噪聲系數(shù);Γs是信源反射系數(shù)，Γopt是最佳信源反射系數(shù);RN是等效噪聲電阻。當(dāng)Γs=Γopt時(shí)可以得到最小的噪聲系數(shù)FNmin。但是是通過(guò)輸入端的失配達(dá)到電抗性器件之間噪聲相消，所以一般情況下輸入駐波比比較大，也會(huì)降低放大器的增益，需要綜合考慮噪聲系數(shù)與輸入駐波比之間的取舍。

　　匹配電路的形式選擇微帶阻抗變換型匹配法，該匹配法在形式上相當(dāng)與若干條微帶線(xiàn)相互串聯(lián)而成。在匹配過(guò)程中，可以先用史密斯圓圖得到合適的LC型匹配電路，再通過(guò)ADS附帶的微帶線(xiàn)計(jì)算工具解出等效微帶線(xiàn)型的電路形式。該匹配方式的優(yōu)點(diǎn)在于高頻段可以大大減少尺寸，與分支線(xiàn)匹配相比電路尺寸會(huì)比較緊湊，并且適合構(gòu)造寬帶匹配?？梢赃m當(dāng)?shù)脑黾哟?lián)微帶線(xiàn)的數(shù)量，以保證在寬帶條件下達(dá)到比較好的增益平坦度。

　　2.3 級(jí)間匹配電路

　　由于采用兩級(jí)級(jí)聯(lián)的設(shè)計(jì)方式，所以合理的級(jí)間匹配電路會(huì)對(duì)電路整體性能產(chǎn)生重要的影響。級(jí)間電路的目的是使后級(jí)微波管輸入阻抗與前級(jí)微波管輸出阻抗共軛匹配，以獲得最大增益，同時(shí)兼顧輸出平坦度的要求。級(jí)間電路共使用了4節(jié)微帶線(xiàn)，增加的尺寸參數(shù)改善了輸出平坦度。兩級(jí)之間需要加隔直電容，但是由于隔直電容很難在X波段保持良好的特性，電路中用λ/4耦合微帶線(xiàn)代替。取耦合線(xiàn)寬為O.2mm，耦合間隙為0.1 mm，在很寬的頻帶內(nèi)隔直效果好且傳輸損耗小。

　　2.4 輸出匹配電路

　　根據(jù)圖1所示，第二級(jí)二端口網(wǎng)絡(luò)的輸入匹配電路其實(shí)是級(jí)間匹配電路，根據(jù)功率增益最大準(zhǔn)則設(shè)計(jì)輸出匹配電路，采用共軛匹配方式，要求此時(shí)級(jí)間電路的輸出阻抗與后級(jí)微波管輸入阻抗共軛匹配，后級(jí)微波管輸出阻抗與輸出匹配電路的輸入阻抗共軛匹配。放大器具有最大功率增益和最佳的端口駐波比性能。當(dāng)信源和負(fù)載都為50 Ω時(shí)，放大器的實(shí)際功率增益為：

　　2.5 偏置電路設(shè)計(jì)

　　由于噪聲系數(shù)與晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)有密切的關(guān)系，所以必須選擇合適的偏置電路，才能讓放大器工作在最佳狀態(tài)下。該電路采用雙電源供電，所謂雙電源是指漏極正電壓和源級(jí)負(fù)電壓分別用正壓和負(fù)壓兩個(gè)電源供電。在初步的電路設(shè)計(jì)中，可以根據(jù)器件的S參數(shù)模型提供的偏置條件，用串聯(lián)分壓電阻將放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置為VD=2 V，IDS=10 mA。饋電方式選擇λ/4高阻微帶線(xiàn)端接70°的扇形線(xiàn)，λ/4高阻微帶線(xiàn)以遏制交流信號(hào)對(duì)直流電源的影響，扇形線(xiàn)對(duì)高頻短路，又相當(dāng)于電容，可以濾除電源噪聲，尤其適合寬頻帶的設(shè)計(jì)。當(dāng)在低頻段時(shí)，引入衰減，把增益的尖峰消除，改善增益平坦度。在以后的調(diào)節(jié)優(yōu)化過(guò)程中，可以適當(dāng)改變分壓電阻，以追求更好的整機(jī)性能。

　　3 仿真與優(yōu)化

　　首先要在A(yíng)DS中定義介質(zhì)參數(shù)，本文選用Rogers4003介質(zhì)板，在進(jìn)行ADS仿真時(shí)需要設(shè)置介電常數(shù)εr=3.38和介質(zhì)板厚度h=0.5 mm。

　　其次要建立晶體管芯的模型，模型的形式有兩種，一種是SP模型：屬于小信號(hào)線(xiàn)性模型，模型中已經(jīng)帶有了確定的直流工作點(diǎn)，和在一定范圍內(nèi)的S參數(shù)，仿真時(shí)要注意適用范圍。該模型只能得到初步的結(jié)果，對(duì)于某些應(yīng)用來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠，不能用來(lái)做大信號(hào)的仿真，或者直流饋電電路的設(shè)計(jì)，不能直接生成版圖。另一種是晶體管的SPice電路參數(shù)模型，一般由芯片公司提供，可以在A(yíng)DS中安裝NEC公司提供的Design Kit，該工具包集成了NEC系列低噪聲放大器的FET，JBJT，HJ-FET，選擇FET中的NE3210S01。由于Design Kit中的元器件是已經(jīng)封裝好的晶體管，其仿真的結(jié)果要比使用S參數(shù)模型的晶體管模型要可靠。很多時(shí)候，在對(duì)封裝模型進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)前，通過(guò)預(yù)先對(duì)SP模型進(jìn)行仿真，可以獲得電路的大概指標(biāo)。

　　考慮過(guò)孔寄生效應(yīng)，在高頻段對(duì)電路的仿真效果影響較大，所以晶體管源級(jí)與地之間加入接地過(guò)孔。在微帶線(xiàn)連接處用階梯變換接頭或T型接頭進(jìn)行連接，從而獲得更精確的仿真模型。在輸入和輸出的最前段，采用標(biāo)準(zhǔn)的50 Ω?jìng)鬏斁€(xiàn)與λ/4耦合微帶線(xiàn)相連。

　　上述的仿真都是在f=12 GHz單頻點(diǎn)內(nèi)仿真得到的微帶線(xiàn)的大致尺寸，為了能夠使得電路在3 GHz的帶寬下依然保持優(yōu)良的性能，就必須要對(duì)電路實(shí)施優(yōu)化。在優(yōu)化前可以先用調(diào)諧工具手動(dòng)調(diào)整各元件參數(shù)，觀(guān)察哪些參數(shù)對(duì)電路的性能比較敏感，在優(yōu)化時(shí)應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮調(diào)節(jié)。

　　常用的優(yōu)化方式分為隨機(jī)優(yōu)化(random)和梯度優(yōu)化(gradient)，隨機(jī)法通常用于大范圍搜索，梯度法則用于局域收斂。優(yōu)化時(shí)可設(shè)定少量的可變參數(shù)，對(duì)放大器的各個(gè)指標(biāo)分步驟進(jìn)行優(yōu)化，先用100～200步的隨機(jī)法進(jìn)行優(yōu)化，后用20～30步的梯度法進(jìn)行優(yōu)化，一般可達(dá)最優(yōu)結(jié)果。

　　最后再整體仿真，看是否滿(mǎn)足到指標(biāo)要求。若優(yōu)化結(jié)果達(dá)不到要求，一般需要重設(shè)參數(shù)的優(yōu)化范圍、優(yōu)化目標(biāo)或考慮改變電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，然后重新進(jìn)行仿真優(yōu)化。在仿真中要考慮到實(shí)際微帶線(xiàn)加工的精度和最小尺寸，按照加工精度，有些線(xiàn)條太細(xì)是不能實(shí)現(xiàn)的，另外追求小數(shù)點(diǎn)后面的多位精確也是無(wú)實(shí)際意義的。一般微帶線(xiàn)線(xiàn)寬不應(yīng)該小于0.2 mm，保留小數(shù)點(diǎn)后2位即可(單位：mm)。

　　經(jīng)過(guò)反復(fù)的優(yōu)化仿真，最終的參數(shù)滿(mǎn)足了所提出的設(shè)計(jì)指標(biāo)：在10～13 GHz頻帶內(nèi)，噪聲系數(shù)：小于1.8 dB，增益為25.4 dB±0.3 dB，輸出駐波小于1.6，輸入駐波小于2。ADS優(yōu)化后的各個(gè)參數(shù)指標(biāo)如圖2、圖3所示。

　　4 版圖設(shè)計(jì)

　　利用AutoCAD將優(yōu)化后的最終結(jié)果繪制成版圖，注意要在匹配微帶線(xiàn)加入隔離小島，以便以后的調(diào)試，可以適當(dāng)?shù)馗奈Ь€(xiàn)的尺寸，獲得更好的性能。在電路的四周大面積附銅，并留下較密集的金屬化接地過(guò)孔，增強(qiáng)電路的接地性能。四個(gè)角處留有螺絲孔，可以將電路板固定在金屬屏蔽盒內(nèi)。最終的版圖如圖4所示。