基于ADS的通信设备低噪声放大器改进设计与仿真

2010-07-13李淑华

电子设计工程 2010年2期

宫波，李淑华

（海军航空工程学院青岛分院，山东青岛 266041）

通信设备接收机内部噪声过大将直接影响信号接收。而降低通信设备接收机系统噪声系数最有效方法就是改进接收机前端。低噪声放大器有效提供接收机的接收灵敏度，从而提高通信设备的传输距离。因此设计良好的低噪声放大器能极大提高整个通信系统的通信质量。

目前低噪声放大器设计通常采用CAD、EESOF、MWOffice和（Advanced Design System）等方式。ADS是Agilent公司开发的一种功能强大的射频电路设计和仿真工具软件，对小信号特征进行的S参数仿真非常适用于低噪声放大器的仿真设计。

1 噪声系数与接收机灵敏度的关系

噪声系数是指信号通过放大器之后，由于放大器产生噪声使信噪比变坏，而信噪比下降的倍数就是噪声系数。其定义为：

式中，n为放大器输出端确定的信噪比。

而接收机灵敏度是维持接收机正常工作时，输入端所必需的最小信号功率（或电压）。在理想条件下，接收机内部噪声所决定的灵敏度作为衡量接收机质量的标准，则称为最高灵敏度[1]。

设天线的输入信号为Es，则Psi=E2s，Pni为源内阻的热噪声，即 Pni=4kTRsΔfn，于是式（1）可写为：

则可检测的最小信号为：

式中，Rs是天线等效电阻，Δfn是接收机通频带宽度，k是波尔兹曼常数（1.38×10-23J/K），T 为室温 17°C（290 K）。

从式（3）可看出，若给定接收机的输入电阻、全机同频带宽以及接收机的输出信噪比，其接收机灵敏度可直接由噪声系数决定。

2 低噪声放大器的主要技术指标

低噪声放大器的主要指标包括：噪声系数（NF）、功率增益、稳定性、动态范围、输入输出驻波比和反射系数等，其中对整个系统影响最大的指标是噪声系数和放大增益[2]。

2.1 噪声系数

噪声系数通常用分贝表示：

对于单级放大器而言，其噪声系数为：

式中，Fmin为晶体管最小噪声系数，由放大器本身决定，rn是晶体管等效噪声电阻，Γs是晶体管输入端的源反射系数，Γopt是获得最佳Fmin时的最佳源反射系数。

在某些噪声系数要求极高的系统中，由于噪声系数很小，用噪声系数表示不方便，通常采用噪声温度表示，则噪声温度Te与噪声系数NF的换算关系：

式中，T0为环境温度，通常为290 K。

2.2 功率增益

对于实际的低噪声放大器，功率增益通常是指信源和负载都是50 Ω标准阻抗情况下实测的增益。即先测出没有放大器时输出的功率P1，连接有加入放大器后再测量输出的功率 P2，则功率增益 G=P2/P1。

噪声最佳匹配情况下的增益称为相关增益。噪声最佳匹配点并非最大增益点，一般相关增益比最大增益低2～4 dB。低噪声放大器的增益应适中，增益太大导致下级混频器输入过大而失真；增益太小不利于抑制后续各级放大器噪声。这是由于在多级放大器噪声系统中，噪声系数表达式为：

式中，NFn为第n级放大器的噪声系数，Gn为第n级放大器的增益。

当增益G1和G2足够大时，整机的噪声系数接近第一级的噪声系数。因此系统前端的低噪声放大器对整个系统的噪声系数大小起决定作用。

2.3 稳定性

低噪声放大器能够正常工作必须满足的首要条件之一是其在工作频段内的稳定性，否则会产生自激振荡。稳定性取决于晶体管的S参数和输入输出网络的反射系数。当晶体管确定工作频率和偏置，也就是晶体管的S参数成为定值后，只要满足式（8）～式（9），则晶体管绝对稳定。如果不满足绝对稳定状态，通过增加稳定电路设计使晶体管工作在稳定状态。

式中，K为Rollett稳定因数。

2.4 动态范围

动态范围是指低噪声放大器输入信号允许的最小和最大功率的范围。动态范围的上限由最大可接收的信号失真决定，动态范围的下限取决于噪声性能。为了避免大信号输入时产生非线性失真，一般应选择低噪声放大器的输入三阶交调点IIP3较高一点，至少比最大输入信号高30 dB[3]。

2.5 输入输出驻波比

低噪声放大器的输入输出驻波比表征其端口回路的匹配情况。一般低噪声放大器的输入匹配电路是按照最小噪声设计的，即接近最佳噪声匹配而不是最佳功率匹配，而输出端匹配网络一般是为获得最大功率和最低驻波比设计的。所以，低噪声放大器的输入端总是存在某种不匹配。为了减小放大器输入端不匹配所引起的端口反射，可插入损耗很小的隔离器方法解决。

3 低噪声放大器的仿真设计

3.1 通信设备原低噪声放大器晶体管

受扰通信设备前端低噪声放大器是采用俄制晶体管2Т919Б，其工作频率范围为 1～2 GHz，增益约 10 dB，噪声系数大于 2.3 dB[4]。

3.2 改进设计时低噪声放大器晶体管

通信设备采用PHEMT场效应晶体管的低噪声放大器在800 MHz频段噪声系数可达0.4 dB，增益约17 dB；1 900 MHz频段噪声系数可达0.6 dB，增益约15 dB。经比较，本设计用Agilent公司的AT-41533低噪声晶体管实现低噪声放大器。所设计低噪声放大器的主要指标为：工作频带1.2～1.4 GHz（载波频率1.3 GHz）；增益大于13 dB；噪声系数小于 1.5 dB；无条件稳定。

3.3 晶体管直流工作点的扫描

在低噪声放大器设计之前，首先确定静态工作点和偏置电路，即对晶体管进行直流工作点的扫描，实际就是直流仿真过程，图1是利用ADS软件的Template-BJT_curve_tracer进行直流工作点扫描的电路原理图。图2为直流工作点扫描曲线。

图1 直流工作点扫描电路原理图

图2 直流工作点扫描曲线

由图2可读出，VCE=3 V，IC.i=0.013 mA。需要注意的是，实际器件参数和ADS器件库中的模型参数可能会有一定差异，工程实践时需按要求做出相应调整。

3.4 稳定性分析

对晶体管AT-41533进行S参数扫描，在原理图中加入2 个稳定性测量控件，分别是 K：K=stab_fact（S） B：B=stab_fact（S）函数返回 Rollett稳定因数；B：B=stab_meas（S），stab_meas（S）函数返回稳定量。图3为稳定性分析的电路设计图。表1列出工作频带附近的K、B值。

图3 S参数扫描的电路原理图

表1 工作频带附近的K、B值

从表1看出，在1.2～1.4 GHz的频带范围内，K、B值均大于 1，由式（7）、式（8）得出在此工作频带内系统无条件稳定，无需另外设计稳定电路。

3.5 匹配电路设计

3.5.1 输入匹配电路的设计

本设计的低噪声放大器置于接收机前端，由式（3）可知，当晶体管输入端的源反射系数Γopt（Sopt）=Γs时，可获得最小的噪声系数 F=Fmin[5]。

通过对晶体管AT-41533进行SP模型扫描，中心频率1.3 GHz时，值是-0.241+j0.191：使用Smith圆图工具，将输入反射系数S（1，1）设置为Γopt共轭，用于最小噪声系数输入阻抗的匹配。图4为输入匹配的电路设计，图5为输入匹配后阻抗圆图。

3.5.2 输出匹配电路

输出网络匹配是由微带线实现的，采用RF4基板，具体参数为：基板厚度0.8 mm；相对介电常数Er为4.3；磁导率Mur为1；金属电导率为5.88E+7；金属层厚度为0.03 mm。通过ADS自带的微带线计算工具计算出微带线宽度1.5 88 mm，选择控件MLIN、MTEE、MLEF插入到输出端。设置2 个优化 GOAL，其对象分别是 S（1，1）和 S（2，2），有一点需要注意的是，进行优化后输入匹配Smith圆图的参数也会有稍微的改变。图6为输出匹配的电路设计图，最终仿真结果如图7～图10所示。