HFSS天线论 NSOFT HFSS天线设计论文 7

Ansoft2004 年用户通讯 21 微波低噪声放大器的 Serenade 优化设计 微波低噪声放大器的 Serenade 优化设计 顾 伟 安 叶 北京理工大学电子工程系微波电路实验室 100081 摘要 摘要 本文首先简要介绍微波低噪声放大器的设计理论 方法和过程 然后介绍使用微波电路 CAD 软件 Ansoft 公司的 Serenade8 71 进行分析和优化设计一个微波低噪声放大器的方法和过程 获得了较 为理想的结果 工作频带 工作频带 9 6 10 6GHz 噪声系数 1 5db 增益 24db 增益平坦度 2 111221 1 SS S S 2 221221 1 SS 11221221 DS SS S 改善微波管自身稳定性可以采取若干方法 常用的是串接阻抗负反馈法 在 MES FET 的源极和地之间串接一个阻抗元 件 构成负反馈电路 对双极晶体管则在发射极经反馈元件接地 实际的微波放大器电路中反馈元件常用一段微带线代替 相当于电感性元件负反馈 以上所介绍的设计时考虑的问题从理论上来进行分析计算时 过程将十分繁琐复杂 利用 Ansoft 公司 Serenade 8 71 软件进行各种匹配电路设计和仿真优化 可以很方便地完成整个过程 获得要求的结果 三三 低噪声放大器的优化仿真 低噪声放大器的优化仿真 3 1 设计指标 3 1 设计指标 Partners In Design 22 Ansoft2004 年用户通讯 频率范围 9 6 10 6 GHz 噪声系数 1 5 f N 增益 20 dB 带内平坦度 0 5 dB 输入 输出阻抗 50 输入电压驻波比 2 3 2 使用 Serenade 8 71 优化设计过程 3 2 使用 Serenade 8 71 优化设计过程 根据设计要求 选用 hp 的 f361632b 进行 LNA 的设计 由于 serenade8 71 包含晶体管的 S 参数模型 所以直接使用 不必自己建立模型 首先建立简化电路原理图 完成后利用 Smith Tool 直接判断晶体管在所选频段是否处于稳定状态 如图 1 所示 可 见 电路在整个工作频段以内不能保证处于绝对稳定的状态 通过修改电路拓扑结构 如在源级漏级间引入负反馈等 来改善稳定性 在源极加入一段适当长度的微带线 然后从 Smith 圆图中直接看到结果 如图 2 所示 可见电路已经达到绝对稳定的工作状态 晶体管处于绝对稳定状态后 接下来进行 输入和输出端口的匹配电路设计 首先进行输入端匹配 使用 Smith Tool 画 出电路的一系列等噪声系数圆 Noise 和等增益 圆 Avail Gain Ga S plane 然后选取合适的 噪声系数圆和等增益圆并使两者外切 最终选取 等噪声系数圆对应噪声系数 0 92dB 等增益圆 对应增益 12 15dB 如图 3 所示 两圆的切点 即为匹配点 Smith Tool 提供了很多元件来供设计师来 作匹配网络 比如串 并联电阻 电容 电感 传输线 短路线 变压器等 如图 3 所示 通过 Matching 对话框的匹配工具 从输入端 原 点 匹配至该点 最后生成输入端的匹配电路如图 4 所示 由电容 和一段长度的微带线构成 输出匹配电路的设计采用共轭匹配的方式 使输出功率增益 较大 利用该软件的 Smith Tool 提供的功能按钮能很方便地将源 反射平面等增益圆 增益为 12 15dB 直接映射到负载反射平面上 在绝对稳定时 还可直接找到源反射平面上的一点在 负载反射平面上的映射点 如图 5 中的 A 点到 B 点的映射 同样只要直接由 Serenade 的 Smith Tool 一个简单的按 钮点击即可得出 需要的匹配点正是 B 点对应的共轭点 即图 5 中的 C 点 由该点到输出端的匹配 就是从此共轭点 C 匹配到原点 方法基本同输入匹配相同 输出匹配电路的设计过程如图 5 所示 Partners In Design Ansoft2004 年用户通讯 23 将输入和输出匹配网络加到原电路中得到单级放大电路 对其作仿真 优化 微波电路在作仿真分析时应该把实际电 路的微带线 焊盘等也一并考虑进去 并设定实际电路的介质板等相关参数 以得到准确的结果 Serenade 都有便利的模 块可直接进行参数设定 最后 将两级单级放大器通过耦合电容进行耦合 并且加上直流偏置电路 进一步反复进行分析和优化 可得出电路 原理图和仿真结果分别如图 6 图 7 所示 3 3 结论 3 3 结论 由仿真结果可以看到 在工作频带内 9 6 10 6 GHz 噪声系数最大 1 26dB 最小 1 20dB 满足要求 增益平坦度 满足 0 5dB 的要求 平均增益大约 25dB S11 和 S22 也较好 多数频率点在 15dB 以下 最高不超过 12dB 从仿真设计的过程可看出 用 Ansoft 公司 Serenade 8 71 进行微波电路的 CAD 设计 仿真和优化是相当方便的 由 Partners In Design 24 Ansoft2004 年用户通讯 于它包含的丰富的原理图模型库和各种设计 优化的设置模块以及使用简便 功能强大的工具模块 使其具有极高的易用 性和快捷的操作 可以省去很多人工计算的过程 是微波电路设计中很好的 CAD 软件 微波电路的设计需要将理论知识和计算机软件仿真设计相结合 设计者必须同时具备较全面的知识 而对于电路实际 制作和调试时更需要将理论应用到实践中 分析电路在高频时候可能出现的电路的分布参数影响等情况 总而言之 利用 微波电路 CAD 软件 Serenade 8 71 可以对微波电路做尽可能细致的分析 并且与实际情况较为吻合 可以很好地提高设计 工作的效率 并且使实际电路性能的实现得到保证 参考书目 参考书目 1 言华 微波固态电路 北京理工大学 1999 2 闫润卿 李英惠编 微波技术基础 北京理工大学出版社 1997 3 htt