基于HP41511的微波低噪聲放大器的設(shè)計(jì)
[導(dǎo)讀]為了降低接收系統(tǒng)中微波放大器的噪聲，提高接收機(jī)靈敏度，文中介紹了微波低噪聲放大器的技術(shù)指標(biāo)和設(shè)計(jì)方法，并利用ADS軟件對微波低噪聲放大器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化和仿真。最后使微波低噪聲放大器的設(shè)計(jì)結(jié)果達(dá)到了設(shè)計(jì)期望值。
0 引言
隨著通訊工業(yè)的飛速發(fā)展，人們對各種無線通訊工具的要求也越來越高。功率輻射小、作用距離遠(yuǎn)、覆蓋范圍大已成為各運(yùn)營商乃至無線通訊設(shè)備制造商的普遍追求，而這也同時對系統(tǒng)的接收靈敏度提出了更高的要求。
1 微波低噪聲放大器的作用
一般情況下，一個接收系統(tǒng)的接收靈敏度可由以下計(jì)算公式來表示：
由上式可見，在各種特定(帶寬BW、解調(diào)S／N已定)的無線通訊系統(tǒng)中，能有效提高靈敏度的關(guān)鍵因素就是降低接收機(jī)的噪聲系數(shù)NF，而決定接收機(jī)噪聲系數(shù)的關(guān)鍵部件則是處于接收機(jī)最前端的低噪聲放大器。
圖1所示是接收機(jī)射頻前端的原理框圖。由圖1可見，低噪聲放大器的主要作用是放大天線從空中接收到的微弱信號，降低噪聲干擾，以供系統(tǒng)解調(diào)出所需的信息數(shù)據(jù)，所以，低噪聲放大器的設(shè)計(jì)對整個接收機(jī)來說是至關(guān)重要的。
2 微波低噪聲放大器的主要技術(shù)指標(biāo)
2.1 噪聲系數(shù)
噪聲系數(shù)的定義為放大器輸入信噪比與輸出信噪比的比值，即：
對單級放大器而言，其噪聲系數(shù)的計(jì)算為：
其中Fmin為晶體管最小噪聲系數(shù)，是由放大器的管子本身決定的，Γopt、Rn和Γs分別為獲得Fmin時的最佳源反射系數(shù)、晶體管等效噪聲電阻以及晶體管輸入端的源反射系數(shù)。
對多級放大器。其噪聲系數(shù)的計(jì)算應(yīng)為：
其中NFn為第n級放大器的噪聲系數(shù)，Gn為第n級放大器的增益。
對噪聲系數(shù)要求較高的系統(tǒng)，由于噪聲系數(shù)很小，用噪聲系數(shù)表示很不方便，故常用噪聲溫度來表示，噪聲溫度與噪聲系數(shù)的換算關(guān)系為：
其中Te為放大器的噪聲溫度，T0=2900K，NF為放大器的噪聲系數(shù)。
2.2 放大器增益
放大器的增益定義為放大器輸出功率與輸入功率之比：
G=Pout／Pin (7)
通常提高低噪聲放大器的增益對降低整機(jī)的噪聲系數(shù)非常有利，但低噪聲放大器的增益過高會影響整個接收機(jī)的動態(tài)范圍。所以，一般來說，低噪聲放大器的增益確定應(yīng)與系統(tǒng)的整機(jī)噪聲系數(shù)、接收機(jī)動態(tài)范圍等結(jié)合起來考慮。
2.3 反射系數(shù)
由式(3)可知，當(dāng)Γs=Γopt時，放大器的噪聲系數(shù)最小，NF=NFmin，但此時從功率傳輸?shù)慕嵌葋砜?，輸入端會失配，所以，放大器的功率增益會降低，但有些時候，為了獲得最小噪聲，適當(dāng)?shù)臓奚恍┰鲆嬉彩堑驮肼暦糯笃髟O(shè)計(jì)中經(jīng)常采用的一種辦法。
另外，低噪聲放大器的輸入輸出駐波比、動態(tài)范圍、工作頻率、工作帶寬及帶內(nèi)增益平坦度等指標(biāo)也很重要，設(shè)計(jì)時也需加以考慮。
3 電路仿真設(shè)計(jì)
本電路設(shè)計(jì)要求的頻率范圍為1.95～2.05GHz，噪聲系數(shù)：為Nf應(yīng)小于2 dB，帶內(nèi)增益為G大于10 dB，輸入，輸出阻抗為50 Ω。現(xiàn)以上述指標(biāo)來進(jìn)行電路晶體管的選擇以及ADS仿真。
3.1 晶體管的選擇
根據(jù)放大器的性能要求，本設(shè)計(jì)選用HP公司的AT-41511作為核心器件來進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于在ADS軟件中包含有這種型號晶體管的器件模型，因此，在設(shè)計(jì)和仿真過程中可以直接使用，而不必再自己建造器件模型。
3.2 ADS仿真綜合指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)
仿真時，可將噪聲系數(shù)、放大器增益、穩(wěn)定系數(shù)全部加入優(yōu)化目標(biāo)中進(jìn)行優(yōu)化，并通過對帶內(nèi)放大器增益的限制來滿足增益平坦度指標(biāo)，最終達(dá)到各個指標(biāo)要求。反復(fù)調(diào)整優(yōu)化方法并優(yōu)化目標(biāo)中的權(quán)重(Weight)，也可以對輸入匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化。但是，對部分電路指標(biāo)的優(yōu)化也可能導(dǎo)致其它某些指標(biāo)的惡化，此時可以根據(jù)需要增加一些優(yōu)化變量。
圖2所示是經(jīng)過一次隨機(jī)優(yōu)化的S參數(shù)圖。
仿真結(jié)果表明，該電路基本上已經(jīng)達(dá)到了比較好的性能，且具有良好的輸入輸出匹配，較高的增益和穩(wěn)定系數(shù)，同時噪聲系數(shù)也比較好。
3.3 封裝模型仿真設(shè)計(jì)
進(jìn)行完sp模型設(shè)計(jì)以后，還需要將sp模型替換為封裝模型來做進(jìn)一步設(shè)計(jì)。具體需要進(jìn)行的工作如下：
(1)將sp模型替換為封裝模型；
(2)選擇直流工作點(diǎn)并添加偏置電壓；
(3)進(jìn)行饋電電路的設(shè)計(jì)(電阻分壓、扇形線、高阻線等的使用)；
(4)替換為封裝模型后各項(xiàng)參數(shù)可能會有所變化，如不滿足技術(shù)指標(biāo)，還可以對封裝模型的原理圖再進(jìn)行仿真優(yōu)化。
設(shè)計(jì)封裝模型時。可用圖3所示的電路來對器件的I-V特性進(jìn)行仿真，以選擇其直流工作點(diǎn)。
在設(shè)計(jì)偏置電路時，為了防止交流信號對直流電源的影響，可在電源與饋電點(diǎn)之間添加1／4波長的高阻線以遏制交流信號。如果電路中有終端短路的微帶線，為了避免直流短路，還應(yīng)在接地端插入隔直電容。
4 結(jié)束語
從仿真設(shè)計(jì)的過程可以看到，使用Agilent公司的ADS軟件進(jìn)行射頻電路設(shè)計(jì)、仿真和優(yōu)化是非常方便的。它含有豐富原理圖模型庫、多種仿真分析方式和一系列使用簡便而功能強(qiáng)大的設(shè)計(jì)工具。這都可使復(fù)雜的射頻電路設(shè)計(jì)工作變得簡便快捷，省去了大量人工計(jì)算設(shè)計(jì)的過程，提高了設(shè)計(jì)工作效率。本文給出的微波低噪聲放大器的設(shè)計(jì)還是比較成功的，基本達(dá)到了指標(biāo)要求。
隨著通訊工業(yè)的飛速發(fā)展，人們對各種無線通訊工具的要求也越來越高。功率輻射小、作用距離遠(yuǎn)、覆蓋范圍大已成為各運(yùn)營商乃至無線通訊設(shè)備制造商的普遍追求，而這也同時對系統(tǒng)的接收靈敏度提出了更高的要求。
1 微波低噪聲放大器的作用
一般情況下，一個接收系統(tǒng)的接收靈敏度可由以下計(jì)算公式來表示：
由上式可見，在各種特定(帶寬BW、解調(diào)S／N已定)的無線通訊系統(tǒng)中，能有效提高靈敏度的關(guān)鍵因素就是降低接收機(jī)的噪聲系數(shù)NF，而決定接收機(jī)噪聲系數(shù)的關(guān)鍵部件則是處于接收機(jī)最前端的低噪聲放大器。
圖1所示是接收機(jī)射頻前端的原理框圖。由圖1可見，低噪聲放大器的主要作用是放大天線從空中接收到的微弱信號，降低噪聲干擾，以供系統(tǒng)解調(diào)出所需的信息數(shù)據(jù)，所以，低噪聲放大器的設(shè)計(jì)對整個接收機(jī)來說是至關(guān)重要的。
2 微波低噪聲放大器的主要技術(shù)指標(biāo)
2.1 噪聲系數(shù)
噪聲系數(shù)的定義為放大器輸入信噪比與輸出信噪比的比值，即：
對單級放大器而言，其噪聲系數(shù)的計(jì)算為：
其中Fmin為晶體管最小噪聲系數(shù)，是由放大器的管子本身決定的，Γopt、Rn和Γs分別為獲得Fmin時的最佳源反射系數(shù)、晶體管等效噪聲電阻以及晶體管輸入端的源反射系數(shù)。
對多級放大器。其噪聲系數(shù)的計(jì)算應(yīng)為：
其中NFn為第n級放大器的噪聲系數(shù)，Gn為第n級放大器的增益。
對噪聲系數(shù)要求較高的系統(tǒng)，由于噪聲系數(shù)很小，用噪聲系數(shù)表示很不方便，故常用噪聲溫度來表示，噪聲溫度與噪聲系數(shù)的換算關(guān)系為：
其中Te為放大器的噪聲溫度，T0=2900K，NF為放大器的噪聲系數(shù)。
2.2 放大器增益
放大器的增益定義為放大器輸出功率與輸入功率之比：
G=Pout／Pin (7)
通常提高低噪聲放大器的增益對降低整機(jī)的噪聲系數(shù)非常有利，但低噪聲放大器的增益過高會影響整個接收機(jī)的動態(tài)范圍。所以，一般來說，低噪聲放大器的增益確定應(yīng)與系統(tǒng)的整機(jī)噪聲系數(shù)、接收機(jī)動態(tài)范圍等結(jié)合起來考慮。
2.3 反射系數(shù)
由式(3)可知，當(dāng)Γs=Γopt時，放大器的噪聲系數(shù)最小，NF=NFmin，但此時從功率傳輸?shù)慕嵌葋砜?，輸入端會失配，所以，放大器的功率增益會降低，但有些時候，為了獲得最小噪聲，適當(dāng)?shù)臓奚恍┰鲆嬉彩堑驮肼暦糯笃髟O(shè)計(jì)中經(jīng)常采用的一種辦法。
另外，低噪聲放大器的輸入輸出駐波比、動態(tài)范圍、工作頻率、工作帶寬及帶內(nèi)增益平坦度等指標(biāo)也很重要，設(shè)計(jì)時也需加以考慮。
3 電路仿真設(shè)計(jì)
本電路設(shè)計(jì)要求的頻率范圍為1.95～2.05GHz，噪聲系數(shù)：為Nf應(yīng)小于2 dB，帶內(nèi)增益為G大于10 dB，輸入，輸出阻抗為50 Ω。現(xiàn)以上述指標(biāo)來進(jìn)行電路晶體管的選擇以及ADS仿真。
3.1 晶體管的選擇
根據(jù)放大器的性能要求，本設(shè)計(jì)選用HP公司的AT-41511作為核心器件來進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于在ADS軟件中包含有這種型號晶體管的器件模型，因此，在設(shè)計(jì)和仿真過程中可以直接使用，而不必再自己建造器件模型。
3.2 ADS仿真綜合指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)
仿真時，可將噪聲系數(shù)、放大器增益、穩(wěn)定系數(shù)全部加入優(yōu)化目標(biāo)中進(jìn)行優(yōu)化，并通過對帶內(nèi)放大器增益的限制來滿足增益平坦度指標(biāo)，最終達(dá)到各個指標(biāo)要求。反復(fù)調(diào)整優(yōu)化方法并優(yōu)化目標(biāo)中的權(quán)重(Weight)，也可以對輸入匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化。但是，對部分電路指標(biāo)的優(yōu)化也可能導(dǎo)致其它某些指標(biāo)的惡化，此時可以根據(jù)需要增加一些優(yōu)化變量。
圖2所示是經(jīng)過一次隨機(jī)優(yōu)化的S參數(shù)圖。
仿真結(jié)果表明，該電路基本上已經(jīng)達(dá)到了比較好的性能，且具有良好的輸入輸出匹配，較高的增益和穩(wěn)定系數(shù)，同時噪聲系數(shù)也比較好。
3.3 封裝模型仿真設(shè)計(jì)
進(jìn)行完sp模型設(shè)計(jì)以后，還需要將sp模型替換為封裝模型來做進(jìn)一步設(shè)計(jì)。具體需要進(jìn)行的工作如下：
(1)將sp模型替換為封裝模型；
(2)選擇直流工作點(diǎn)并添加偏置電壓；
(3)進(jìn)行饋電電路的設(shè)計(jì)(電阻分壓、扇形線、高阻線等的使用)；
(4)替換為封裝模型后各項(xiàng)參數(shù)可能會有所變化，如不滿足技術(shù)指標(biāo)，還可以對封裝模型的原理圖再進(jìn)行仿真優(yōu)化。
設(shè)計(jì)封裝模型時。可用圖3所示的電路來對器件的I-V特性進(jìn)行仿真，以選擇其直流工作點(diǎn)。
在設(shè)計(jì)偏置電路時，為了防止交流信號對直流電源的影響，可在電源與饋電點(diǎn)之間添加1／4波長的高阻線以遏制交流信號。如果電路中有終端短路的微帶線，為了避免直流短路，還應(yīng)在接地端插入隔直電容。
4 結(jié)束語
從仿真設(shè)計(jì)的過程可以看到，使用Agilent公司的ADS軟件進(jìn)行射頻電路設(shè)計(jì)、仿真和優(yōu)化是非常方便的。它含有豐富原理圖模型庫、多種仿真分析方式和一系列使用簡便而功能強(qiáng)大的設(shè)計(jì)工具。這都可使復(fù)雜的射頻電路設(shè)計(jì)工作變得簡便快捷，省去了大量人工計(jì)算設(shè)計(jì)的過程，提高了設(shè)計(jì)工作效率。本文給出的微波低噪聲放大器的設(shè)計(jì)還是比較成功的，基本達(dá)到了指標(biāo)要求。
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