基于ADS的S波段小型化低噪声放大器电路仿真与分析

黄 丹，陈国通，唐叶婷

（河北科技大学信息科学与工程学院，石家庄 050000）

基于ADS的S波段小型化低噪声放大器电路仿真与分析

黄 丹，陈国通，唐叶婷

（河北科技大学信息科学与工程学院，石家庄 050000）

本设计使用了高电子迁移率晶体管（PHEMT）作为放大电路的核心，设计一个2487MHz-2496MHz波段低噪声放大器（LNA），电路采用三级级联放大的结构形式。为实现小型化，输入匹配采用不对称微带十字型结匹配方法，相对于传统的T型、π型匹配网络，体积更小。还介绍了利用ADS（Advanced Design System）进行LNA电路仿真的基本步骤，最后设计了LNA指标。

ADS；LNA；噪声系数；阻抗匹配；增益

1 引言

ADS适用于射频、微波和信号完整性应用，能够借助集成平台中的无线库及电路系统和电磁协同仿真功能，提供基于标准的全面设计及验证。用户可以使用系统提供的仿真工具构建电路，修改元器件参数，实现对具体电路的仿真设计。它是检验电路设计的一种有效手段[1]。

低噪声放大器的主要作用是，放大天线从空中接收的微弱信号，降低噪声干扰，使接收到的信号能被后级电路有效地接收和处理[2]。LNA在微波通信、卫星地面接收、卫星遥感、雷达、GPS接收机等系统中都有着重要的应用，小型化、低噪声、高增益、宽动态范围、稳定可靠的LNA成为重要的研究方向，LNA设计核心是对输入匹配网络进行“最佳

2 ADS进行LNA仿真的一般步骤

ADS进行LNA仿真的一般步骤包括：晶体管器件的选择和级数的确定、直流偏置电路设计、稳定性判定、输入输出阻抗的确定、匹配电路设计、S参数仿真分析和处理仿真结果。

2.1 晶体管器件的选择和级数的确定

考虑到系统的增益和噪声系数等指标要求，第一级采用PHEMT工艺晶体管ATF34143设计，在2GHz附近，噪声系数为0.5dB，增益为16dB左右。由于单级增益比较小，后两级采用某公司的GaAs型放大单片HMC286，在2GHz附近，增益为19dB左右，并且HMC286匹配简单。特别适用于小型化和高性能系统需求中。最后根据预先设定好的方案（如图1所示），利用ADS软件进行辅助设计。

图1 三级级联放大电路框图

2.2 直流偏置电路设计

偏置电路的作用是在特定的工作条件下为放大器等有源器件提供合适的静态工作点，考虑到低电压、低功耗，由ATF34143的数据手册可知，选取ATF34143在2V，20mA的静态工作点，采用自给偏压式放大电路（如图2所示），再根据计算机射频软件APPCAD计算图2中源极电阻和漏极电阻的阻值，此时完成直流偏置电路的设计，如图3所示。

图2 N沟道结型场效应管自给偏压式放大电路

图3 直流偏置电路原理图

2.3 稳定性判定

为使放大器稳定正常工作，避免产生自激震荡，在这一条件下讨论放大器的性能指标才有意义。放大器的设计必须在其给定的直流偏置和工作频段内保持稳定，因此，提出在源极添加负反馈微带线的方法，改善电路的稳定性。另外还有一些改善稳定性的方法，例如在晶体管栅极添加一个有耗元件（比如电阻），但此时会恶化系统的噪声，使增益和噪声性能大幅度变差，所以采用源极添加负反馈微带线的方法，其中微带线的长度可由ADS优化。最终优化结果如图4所示。

图4 ATF34143稳定性判定结果

2.4 输入输出阻抗的确定

在完成以上步骤前提下，开始进行输入输出阻抗的确定，利用ADS的设计向导下S-Parameter Simulations，得出ATF34143在稳定性前提下，最佳增益和最佳噪声系数下的源阻抗匹配及负载阻抗匹配条件。

2.5 匹配电路设计

匹配网络在电路中两个不同阻抗之间引入，匹配网络的实质是实现阻抗变换，即将给定的阻抗值变化成更适合的阻抗值[1]。在设计低噪声放大器的匹配电路时，输入匹配网络一般为获得最小噪声而设计，利用不对称微带十字型结进行阻抗匹配[3]，相对于传统的T型、π型匹配网络，体积更小，而输出匹配网络一般是为获得最大功率和低电压驻波比（VSWR）而设计，采用T型匹配网络。本文主要是利用史密斯圆图设计低噪声放大器，这样大大简化了设计的复杂性。

在ADS中设计匹配电路的时候，选取靠近中心频率点附近频率2.5GHz进行匹配设计。我们分别对ATF34143和HMC286两个晶体管进行匹配电路的设计，输入端按照最佳噪声系数下的源阻抗匹配设计，输出端按照最大增益匹配。为避免级间直流信号相互影响，因此需要加入级间电容，最终设计电路如图5所示。

图5 三级级联拓扑结构图

2.6 S参数仿真分析和处理仿真结果

利用ADS中的调谐工具进行调谐匹配电路的参数，可通过优化控件对其进行优化，使噪声系数和增益及其输入输出驻波都能够达到比较好的结果。若优化结果达不到要求，一般需要重设置参数的优化范围、优化目标或考虑改变电路的拓扑结构，然后重新进行仿真优化。在仿真中要考虑到实际电路加工中微带线的精度，一般要求微带线线宽不小于0.1mm，最后通过反复的仿真优化，由图6可知，得到的放大电路的增益在39dB范围内，噪声小于1.5dB，输入输出驻波小于1.5dB。

图6 S参数仿真结果

3 结束语

本文使用ADS进行电路仿真可以对我们设计的电路方案进行验证，实现电路的最优化，提高设计效率。对于LNA的稳定性、驻波比、噪声系数和增益的指标要求进行了仿真与优化，同时考虑晶体管参数和偏置网络对低噪声放大器的影响，最终综合优化输入和输出匹配网络，达到了预期的设计指标要求。

[1] 黄玉兰.ADS射频电路设计基础与典型应用[M]．北京：人民邮电出版社，2010

[2] 陈邦媛．射频通信电路[M]．北京：高等教育出版社，2003

[3] 牛朝，李迎松，王琦，杨晓冬．基于ADS仿真的宽频带低噪声放大器设计[J]．应用科技，2009(1)

Analysis and Design of the S Band Mini Low Noise Amplifier based on ADS

Huang Dan, Chen Guotong, Tang Yeting
(School of Information Science and Engineering, Hebei University
of Science and Technology, Shijiazhuang, 050000)

The design uses a high-electron-mobility transistor (PHEMT) as the amplifier circuit core, design a 2487MHz-2496MHz band Low Noise Amplifier (LNA), The circuit structura is three-stage cascadel form. The input matching by using the asymmetry crisscross knot of microstrip for the miniaturization design, which has smaller size compared to conventional T-type,π-type matching network. The basic steps of ADS LNA circuit simulation was introduced.

ADS; LNA; noise factor; impedance matching; gain

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2015.07.006

TN7

B

1672-7274（2015）07-0023-03

黄丹，女，1988年生，河北科技大学硕士研究生在读，研究方向为数字交换与传输。噪声匹配”，即从最小噪声系数的角度出发来设计输入匹配网络。对于输入匹配网络采用不对称微带十字型结匹配方法，相对于传统的T型、π型匹配网络，体积更小，并对输出匹配网络进行最大增益设计，以满足系统各项参数的要求。