基于基于ADS仿真的宽带低噪声放大器设计仿真的宽带低噪声放大器设计
本文讨论了一种增强型E-PHEMT管的宽带低噪声放大器设计,介绍了设计的具体流程和方法,并充分利用ADS仿真软件的各项功能对低噪声放大器
进行优化设计,省去了复杂的理论分析计算,大大简化了设计过程,提高了工作效率,对低噪声放大器的CAD设计具有很大的现实意义
1 引言
低噪声放大器(LNA)是现代微波通信、雷达、电子战系统中的重要部件,它处于接收系统的前端,对天线接收到的微弱射频信号进行线性放大,同时抑制各种噪声干
扰,提高系统灵敏度。由于LNA在接收系统中的特殊位置和作用,该部件的设计对整个接收系统的性能指标起着关键作用。当今低噪声放大器主要采用单片微波集成电
路(MMIC)技术,将所有有源器件(如双极性晶体管或场效应晶体管)和无源器件(如电阻器、电感器、电容器和传输线等)全部集成在一块半导体晶片上,以实现低
噪声放大功能,具有尺寸小、重量轻、成本低及可靠性高的特点。
本文介绍了一种宽带低噪声放大器的设计方法。设计时首先根据性能指标要求选择合适的有源器件,确定相应的工作状态和偏置条件及器件的稳定状态,然后合理设计
匹配电路和负反馈电路,最后对整体电路进行优化。设计中采用微波仿真软件ADS对电路进行CAD辅助设计并给出了仿真结果。
仿真结果表明,放大器各性能参数满足设计指标。
2低噪声放大器电路设计与仿真
2.1放大器主要技术指标
本文设计的低噪声放大器主要技术指标:工作频率2.7~3.1GHz,噪声系数(NF)小于0.8dB,带内增益G>30dB,带内平坦度小于±1dB,输入输出驻波比(VSWR)小于
1.6dB,1dB增益压缩点输入功率P1dB≥-15dBm。
2.2器件的选择和设计方案
考虑到增益和噪声系数要求较高,所以选用PHEMTGaAsFET低噪声放大管。另外,在进行电路设计前,首先要建立放大器件的小信号模型。为了设计简便,一般选择
具有现成模型的放大器件。由于安捷伦公司为其产品提供了精确的ADS模型,因此采用安捷伦公司的一种增强型E-PHEMT管ATF541M4,该管工作频率为0.45~10GHz,
具有线性度好、噪声系数低的特点,而且工作时不需要负的栅极电压,便于单电源供电,在Vds=3V,Ids=60mA的偏置条件下,3GHz时最小噪声系数约为0.5dB,增益为
17.5dB,1dB压缩点输出功率21.4dBm,为了得到30dB的增益,采用两级级联放大结构,将两个晶体管集成在同一基片上,输入输出端口之间通过微带线匹配到50Ω。
2.3偏置电路的设计
根据ATF541M4管的数据手册,在Vds=3V,Ids=60mA的偏置条件下,Vgs=0.58V,因此可以采用单极性无源偏置网络,在管子的漏极和栅极加偏置,源极为直流接地状
态,采用常用的电阻自偏压结构为晶体管提供相应的直流电压和电流,偏置电路如图1所示。
在供电电压为5V的条件下,经过计算R1为290Ω,R2为1195Ω,R3为286Ω,电路中的C1、C2、C3为旁路电容,C4为隔直电容,L1和L2为高频扼流电感。为了进一步
得到精确的偏置电阻值,可以对偏置电路进行直流仿真,根据源极和漏级电压值对电阻进行微调,以满足偏置条件。
2.4稳定性分析
因为有源器件都存在内部反馈,反馈的大小取决于放大器的S参数、匹配网络以及偏置条件,当反馈量达到一定程度时,将会引起放大器输入或输出端口出现负阻,产生
自激振荡,因此在做端口匹配前首先要判定放大器是否绝对稳定,射频放大器绝对稳定的充分必要条件是:
如果根据晶体管数据手册中的S参数进行计算分析,则计算过程复杂,可以使用ADS中的稳定性判定系数stab_face(s)和stab_meas(s)直接对器件进行稳定性分
析,只有在工作频段内两个稳定性判别系数都大于1时,才能保证器件绝对稳定。通过仿真得到稳定性判定系数如图2所示。由图可知,两个稳定性系数在2.7~3.1GHz
频率范围内都大于1,所以器件绝对稳定。
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