L波段低噪声放大器的分析与设计

李沛，吴晓光

(武汉科技学院 机电工程学院，湖北 武汉 430073)

L波段低噪声放大器的分析与设计

李沛，吴晓光*

(武汉科技学院 机电工程学院，湖北 武汉 430073)

利用Advanced Design System (ADS)完成了L波段低噪声放大器(LNA)的设计。分析了实际电路可能产生的非连续性、寄生参数效应等因素对电路各个性能指标的影响,并针对这些因素利用ADS进行了电磁仿真计算,最后给出了放大器的仿真结果和最终电路及测试结果。采用ATF-35143器件设计，达到了预定的技术指标，工作频率1.21GHz，增益G大于14dB，噪声系数N F小于0.5 dB，输入1dB压缩点大于5dbm。

射频微波集成电路；低噪声放大器；ADS；噪声系数；阻抗匹配

近年来，无线通信、卫星通信、全球定位系统、雷达及无线接入系统迅速发展。现代通讯要求通信距离越来越远、接受的灵敏度越来越高[1]。新型半导体器件的研制 ,使高速数字系统和高频模拟系统不断扩展 ,射频和微波频率应用越来越广泛。L波段的频率范围为1-2GHz ,处于微波频率的低端。低噪声放大器(LNA) 作为接收系统的前端对系统的各项指标起着关键作用,因此设计性能良好的 LNA就有着重要的意义[2]。

1 设计的基本思路

放大电路采用ATF-35143管子进行设计,偏置在VDS=2V,ID=15 mA的条件下，当频率为1.20GHz时,参照管子特性可知 ,ATF-35143在这个频段的噪声系数为0.3dB。此外，由于ATF-35143有非常低的噪声阻抗,这会减小由于改变输入端阻抗匹配对噪声性能敏感度的影响。放大器的设计思路有多种,主要有按放大器的增益、噪声系数、驻波比等来设计。设计LNA 需考虑到稳定性的问题 ,稳定性分为无条件稳定和有条件稳定。而两种状态的区别是通过在反射系数圆上观察稳定性判定圆来区别稳定区和不稳定区的。增益的平坦度是靠良好的匹配来实现的。这些指标要求在实际设计的时候按系统的需要折衷考虑噪声系数、增益、增益平坦度、输入输出驻波比、以及输出功率,这样整个LNA电路的基本设计思路就完成了[3]。

1.1 直流偏置的设计

直流偏置的设计是影响低噪声性能的一个主要因素,最后设计的性能不良往往归结于直流偏置设计不当。HEMT的偏置有多种方式,比较常用的一种是:漏极加正电压, 栅极加负电压以控制漏极电流,源极对直流是直接接地[4]。这种偏置方法的优点是: 因为源极没有偏置电路,所以引入的源极反馈较小,对高频而言比较容易稳定。但是这种偏置方法也有缺点,偏置电路相当于并联在LNA中的传输线上,对LNA的性能会有影响。首先LNA接不同电源或电源受到干扰会影响偏置电路等效的并联阻抗,从而改变LNA的匹配;其次对于第一级放大网络的栅极而言,偏置电路中有耗元件产生的噪声会直接加到LNA的输入端[5],这会显著提高LNA的噪声。因此偏置电路对LNA应妥善隔离, 即其等效的并联阻抗要尽量大,这里可以采用扼流网络。扼流网络应是在靠近射频部分提供去耦、靠近电源部分提供低频阻抗的结构,通常由一条1/4波长传输线和一个分布的扇形电容构成[6-8]。如果扼流网络对信号通路提供射频开路,电路性能就没有变化;如果噪声系数改变,说明网络没起到合适的旁路作用,可以通过改变传输线的长度或电容的面积来改善性能。扼流网络的恰当设计可以使N F降低0.5dB左右。

1.2 源级反馈电路的设计

放大网络包括晶体管及其他电路,一般放大网络为共源极结构,栅极为输入端,漏极为输出端,而在公共端源极可适当地加入反馈电路。实际上,放大网络的设计主要是源极反馈电路的调整,其目的是提高全频带的稳定性,另外对于第一级放大网络, 源极反馈有利于同时实现噪声匹配和输入端功率匹配。适当的源极负反馈对放大网络噪声的影响很小,但改变了放大管的输入阻抗,因此调整源极反馈可以改变S11,使之靠近opt,同时实现噪声匹配和输入端功率匹配。但是带内的负反馈在带外可能形成正反馈,从而影响放大网络的稳定性,因此必须在确保稳定工作的前提下适当地选取源极反馈[9-11]。

实际设计源级负反馈的时候往往由于电感值太小而不能用集成元件实现，通常使用终端短路微带线来设计，本次设计使用80Ω终端短路微带线实现，微带线的长度和宽度分别为1.17mm和4.5mm。

2 LNA设计与仿真结果分析

图1为利用ADS设计的LNA部分电路图，输入输出端采用CPWG结构设计[9]，为考虑实际情况，电路中的连接线均采用微带线实现。

图1 LNA电路图

图2为从ADS 原理图直接导入到layout中生成的LNA版图，为了模拟实际电路中的寄生效应及微带线之间的耦合效应，利用ADS momtem对微带线进行设计优化，以便减小实际制作中耦合效应的影响。

图2 LNA版图

为了对器件与微带线的实际效应进行模拟，使用ADS的原理图与版图联合仿真，对微带线的关键部分使用电磁场仿真后进行打包处理，然后代入到原理图中进行仿真，若仿真结果达不到要求，需进行优化设计，图3为联合仿真图形[12-15]。

图3 LNA联合仿真

仿真优化结果如下：

3 LNA实物图与测试结果

图4为LNA实物图，当测试结果不满足指标要求时，必须对LNA的关键电路进行优化设计，如源级微带线的长度及输入输出端匹配电路电感电容值的大小，直到测试结果达到要求为止。

图4 LNA实物图

图5为采用Agilent E8363B矢量网络分析仪对S参数进行测量的结果，结果显示在中心频率为1.21G的时候，S11小于-17dB, S22小于-20 dB, S21为14.6dB，S12小于-19dB。

测试结果：

图5 LNA S参数测试结果

1dB压缩点采用Agilent E4440A频谱仪手动测试，按照步长1dB逐渐增大输入信号功率来观察输出功率的变化，当输出功率小于理想输出功率1dB时即为输入1dB压缩点，经测试，该LNA的输入1dB压缩点为6dbm。

表1列出了LNA的主要性能指标，其中Noise为仿真结果，其余为测试结果[15]。

表1 LNA的主要性能指标

4 结论

利用ADS成功设计了基于ATF-35143的L波段工作的低噪声放大器，中心频率在1.21GHz，测试结果表明设计的LNA具有良好的性能指标，也说明了利用ADS进行射频微波电路的设计是充分可行的。

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Design and Analysis of L-Band Low Noise Amplifier

LI Pei，WU Xiao-guang

(College of Mechanical and Electrical Engineering , Wuhan University of Science and Engineering, Wuhan 430073, China)

An L band low noise amplifier (LNA) is designed in this paper by means of Advanced Design System (ADS). The paper also elaborates on such factors as the possible discontinuity and parasitic parameter effect in actual circuit as well as their impacts on each performance index of the circuit. In consequence, the simulation results of LNA and the measured results of the final circuits are given by electromagnetic simultation calculation of ADS in connection with such factors. By adopting the ATF-35143 device in the design, technical index meet the expected specifications with the work frequency of 1.21GHz, conversion gain over 14dB, noise factor (NF) below 0.5dB, compression point over 5dbm with the input of 1dB.

RF microwave integrated circuits; low noise amplifier (LNA); ADS; noise factor; impedance matching

TN722

A

1009－5160(2010)01－0044－04

*通讯作者：吴晓光（1954-），男，教授，研究方向：数控系统及仿真、数字化纺织装备及关键技术研究.

国家自然科学基金项目（50775166）.