3-44Ku频段低噪声放大器的设计.doc

第三部分 微波毫米波有源器件及电路Ku频段低噪声放大器的设计吴辉，唐小宏电子科技大学 电子工程学院 四川 成都 610054摘要：本文介绍了低噪声放大器的设计理论及方法，设计了一款Ku频段低噪声放大器。电路采用三级放大的结构形式。利用微带电路实现输入、输出和级间匹配。采用了Agilent公司的微波电路CAD仿真软件ADS进行了仿真与优化。并对电路增益、噪声系数、驻波比、稳定系数和输出1dB压缩点等特性进行了研究。LNA的工作频段为15.4215.5GHz，增益大于27dB，噪声系数小于2.1dB，1dB压缩点的输出功率在8dBm以上，带内平坦度为0.3dB。关键字：Ku频段，低噪声放大器，ADS仿真，噪声系数Design of Ku Band Low Noise AmplifierWu Hui, Tang Xiaohong(School of Electronic Engineering, UESTC of China Chengdu 610054)Abstract: The design theory and method of low noise amplifier(LNA) is introduced. And a Ku band LNA is designed. The circuit is used of three stage amplifier. Input output and stage matching network designed in microstrip. The whole design is simulated and optimized by Agilents microwave circuit CAD software ADS. The gain, noise figure(NF), VSWR, stability and P1dB is discussed. Its operation band is 15.4215.5GHz , gain27dB,NF8dBm, in-band flatness1时，对所有的信源与负载终端来说，放大器都是无条件稳定的；当K1的绝对稳定条件。2.3 噪声系数及增益在多级部件互联的系统中，总的噪声系数由下式决定： (2)公式（2）中，Ft为总噪声系数，F1，F2，F3分别为第一级，第二级，第三级放大器的噪声系数；G1，G2，G3分别为第一级，第二级放大器的增益。可以看出第一级放大器性能，从基本上决定了整个电路的总噪声系数：第一级放大器的噪声系数越小，增益越大，整个电路的噪声系数就越小。所以在设计中，第一级放大器应该采用最佳噪声系数设计。在最佳噪声系数状态时，放大器的增益不会太高，为了满足整个电路的增益要求，后面两级应该采用最大资用功率设计。同时由于晶体管在频率高端的增益要比频率低端时小，为了满足平坦度要求，后两级在设计时应该使晶体管在频率中高端达到最大增益。2.4 匹配电路的设计为了使晶体管能够工作在所需要的工作状态，如最佳噪声或者最大资用功率，需要设计合适的源阻抗和负载阻抗与晶体管进行匹配，但由于平时所使用的信号源及终端负载的阻抗在一般情况下都是50，所以输入及输出匹配电路的作用就是将标准的50变换到晶体管所需要的阻抗上。同时，晶体管作为有源器件，需要合适的直流电源进行偏置，以达到其所需的工作点。偏置电路的作用就是在将直流馈入管子的同时，不对电路上的微波信号传输产生不良影响，不让微波信号从偏置电路泄漏出去。在相同的特性阻抗下，微带线的长度与宽度取决于基片的厚度及相对介电常数。在基片厚度不变的情况下，基片的相对介电常数越大，微带线的宽度就越窄。为了尽量减小体积，本电路的采用了相对介电常数较高的TACONIC公司的CER10材料基片，其相对介电常数r=9.5，厚度H=0.635mm，铜箔厚度T=0.018mm。用ADS的传输线计算工具Linecalc算得在所需工作频段上50的传输线宽度约为0.66mm，四分之一波导波长约为1.84mm。因为放大器的相对带宽较窄，所以匹配电路采用型和反型结构进行匹配。为了避免在匹配电路中使用过多通孔增加其寄生参量，选择终端开路支节进行匹配支节。第一级放大器采用最佳噪声系数设计，将NE3210S01的S参数模型导入ADS进行计算后，可以得出其最佳噪声源反射系数为opt=0.314-143.58o。利用史密斯圆图，可以得到其支节线的长度。完成输入端的匹配后，对输出端进行共轭匹配。第二、三级放大器采用最大资用功率设计，将TC2181的S参数模型导入ADS后得到其输入端反射系数为s=0.843.62o，同样利用史密斯圆图完成输入匹配后再对输出端进行共轭匹配即可获得最大增益。由于型支节的交接处的不连续性会对传输线的有效长度有影响，我们在ADS里面建立如图1所示的仿真模型进行优化仿真。仿真结果如图1，图2所示。在所需工作频率，噪声系数小于1.5dB，增益大于28.5dB。图1 三级放大器的噪声系数图2 三级放大器的增益图3 ADS里面的仿真模型2.5 直流偏置电路的设计按放大器的供电方式，可以将其分为单电源供电和双电源供电两种。单电源供电虽然只需一个直流源，但因为其结构需要在源极接上电阻进行自分压，而源极接上电阻后会使放大器的增益下降，噪声系数上升。所以偏置电路采用了正负电源的双电源供电。正压Vds及负压Vgs通过的高低阻抗馈入。为减小偏置电路对信号传输的影响，采用ADS自带的momentum软件进行仿真优化。图4 偏置电路在momentum的仿真模型图5 偏置电路的仿真结果3 测试结果最后的LNA电路图如图6所示，整个电路的尺寸为45mm13mm，A为输入端口，D端为输出端口，B、C是为了方便对每级电路放大器进行调试而设置的测试端口，在使用时通过贴片电容进行耦合输出。整个在噪声分析仪（Agilent N8975A）上测试后得到，在15.4215.5GHz，噪声系数小于2.1dB，增益大于27dB，带内平坦度为0.3dB左右。测试结果如图7所示。由测试结果可以看出LNA的测试与仿真基本吻合，达到技术指标要求。图8为放大器的实物图。图6 最终的LNA版图图7 噪声系数与增益的测试图图8 放大器的实物图4 结论本文对Ku波段的微带低噪声放大器的设计进行了讨论。叙述了如何利用在ADS中场路结合地进行设计仿真。制作了一款工作在Ku波段的低噪声放大器，实际尺寸小，测试指标良好。对低噪声放大器的设计人员有一定参考价值。参考文