1、第 1 页 共 40 页基于 ADS2005 的低噪声功率放大电路设计摘 要低噪声功率放大器（LNA）一般处于接收机的前端，主要作用是放大天线从空中接收到的微弱信号，降低噪声干扰，以供系统解调出所需的信息数据，所以LNA 的设计对整个接收机是至关重要的，它的的性能的好坏直接影响整机的性能。本文着重介绍如何使用 ADS 进行低噪声功率放大器的仿真与优化设计，首先阐述了低噪声功率放大器的主要技术和性能指标, 并根据设计要求选取了合适的低噪声功率放大器芯片 RFMD 公司的 RF2361，利用小信号模型 S 参量法，采用软件匹配的方法，优化了输入输出匹配网络；论文给出了低噪声功率放大电路匹配前后的
2、S 参数仿真，通过对比，可以说明本设计基本上达到了阻抗匹配的要求。关键词：低噪声功率放大器，阻抗匹配，微带线，ADS2005第 2 页 共 40 页Low-noise amplifier circuit design based on the ADS2005 Abstract:Low-noise amplifier (LNA) at the receiver general of the front end, the main role is to enlarge it from the air antenna to receive the weak signals and reduce no
3、ise interference, for demodulation system to the information needed data, so the design of the entire LNA receiver Is of paramount importance, its performance will have a direct impact on Overall performance.This paper describes how to use the ADS for low-noise amplifier design and optimization of t
4、he simulation, first of all, a low-noise amplifier on the main technical and performance indicators, according to design requirements and select the appropriate low-noise amplifier chip RF Micro Devices RF2361, use Small-signal model S parameters, using software that match the way, optimize the inpu
5、t and output matching network circuit, to basically meet the requirements of the impedance matching.Key words:low-noise amplifier,impedance matching, microstrip,ADS2005第 3 页 共 40 页1 绪论1.1 课题的研究背景及意义近年来随着微波、毫米波技术的迅速发展，微波通信、导航、制导、卫星通信以及军事电子对抗战和雷达等领域对放大器件的需求量也越来越大，特别是由于无线电通信频率资源的日益紧张，分配到各类通信系统的频率间隔越来越密
6、，这对接收系统前端的器件，尤其是低噪声放大器件，提出了更高的要求，以减小不需要的干扰因素，放大接收到的有用信号。在接收系统中，低噪声放大器总是处于前端的位置，整个接收系统的噪声取决于低噪声放大器的噪声。与普通放大器相比，低噪声放大器一方面可以减小系统的杂波干扰，提高系统的灵敏度；另一方面可以放大系统的信号，保证系统工作的正常运行。可以不夸张的说，低噪声放大器的性能不仅制约了整个接收系统的性能，而且，对于整个接收系统技术水平的提高，也起了决定性的作用。因此，研制合适的宽频带、高性能、更低噪声的放大器 1，已经成为微波系统设计中的核心技术之一。在计算机时代到来以前，传统的设计有源低噪声电路的方法是
7、采用旋转Smith 圆图法，再经过人工的计算逐步进行设计。随着计算机技术的高度发展，与微波、毫米波有源电路相关的仿真软件也不断的涌现。从最初简单的计算功能发展到最近的电磁仿真功能，软件的设计功能逐步得到加强。其中Sevenide、MicrowaveOffice 、ADS 等软件已经成为现阶段比较成熟的仿真工具。当然，这几种软件也难免存在某些缺点。上述有源仿真软件中，以安捷伦公司开发的 ADS 软件功能最为强大；它集成多种仿真软件的优点，仿真手段丰富多样，可实现包括来的低噪声放大器，实际测试结果和理论值吻合的较好，指标令人满意。因此，在计算机技术高度发展的今天，利用 ADS 仿真软件进行有源低噪
8、声放大器件的研究和开发，已经具有普遍的应用和意义 2。1.2 国内外发展现状由于放大器在各类微波系统中的重要作用，近一、二十年来，国外对于这类器件的投入和研究都很多。随着集成度和微波工艺的迅速提高，人们对放大器件的性能指标也提出了更高的要求。为了适应更为广泛的情况，宽频带、低噪声的第 4 页 共 40 页放大器越来越受到人们的青睐。国外，对于低噪声放大器，已经可以做到最高频率为 50GHz 的产品。由于通频带设计上的困难，50GHz 带宽的低噪声放大器，是按频段划分实现的，如：2GHz4GH 内的通带低噪声放大器，1GHz18GHz带内的产品等等 3。在制作工艺方面，国际上普遍采用的是薄膜和厚
9、膜工艺。国外较先进的方法是前期分析、仿真、制作模板，后期利用全软件控制，智能无人流水线作业，单模块集成，一次成型，以免去高昂的人工费用。而且，由于现在的微波应用对于体积的要求是越小越好，因此，如何减小放大器的体积也成为现在微波技术的关键之一。目前，国际上流行的做法是提高集成度以减小电路尺寸，比如，随着半导体工艺的飞速发展以及厚薄膜工艺的应用，国外大多采用高度集成的单片集成电路（MMIC ）的形式，或者是利用共晶微组装工艺。对于低噪声放大器，随着要求的提高，人们已经不满足于利用模块来实现低噪声的指标，现在比较通用的做法是采用极低噪声系数的场效应管或者是场效应管芯片或是高电子迁移率的晶体管来实现噪
10、声系数的指标。当然，采用哪种工艺和工作频带以及半导体工艺的发展状况有密不可分的关系，不管采用何种制作工艺，整个低噪声放大器的体积和管子或管芯的体积密切相连。全自动控制生产线是一种技术含量比较高的生产线，需要比较成熟稳定的底版、较高的集成度和强大的自我修正功能。但是，只要以上三个关键的环节中某一个出现问题，都不会生产出质量较好的产品。研制全自动的生产线，这和国外发达国家，特别是欧美等地人力资源短缺、劳动力价值高的实际情况分不开的。而在共晶工艺中，指标的最后调试部分是需要人工来完成的，在频率的高端，由于许多寄生参数的影响，某些要求利用人工调试，使产品稳定性、可靠性得到保证。因此，全自动生产工艺和共
11、晶微组装半自动工艺是各有优缺点的。与欧美等发达国家相比，国内制作工艺发展比较慢，国内极少采用国外那样的全自动控制流程，但是近几年来，国内已经有几家公司（或研究所）引进国际先进的制作工艺和方法，如厚薄膜电路制作工艺、共晶组装工艺等。因此，比较而言，在研制方法和步骤上，国内与国外同等工作人员的工作相类似，只是在最后的调试阶段，国内大多采用人工的方法。当然，国内这种做法，也有其好处，本国人力资源丰富，因而导致劳动力价格较低廉，这样以来，就可以使生产成本得以降低，提高了市场占有率。特别是到了毫米波阶段，许多实际的寄第 5 页 共 40 页生参数的影响，和人为编制的控制软件所固有的纰漏，都将使得流水线全
12、自动控制的产品存在某些这样那样的问题，此时，人工调试对产品指标的提高将是一种改善。由于国内的制作工艺起步较晚，国内有源电路技术指标的快速提高受到了限制。但是，总体说来，除了高度集成工艺外，国内外总的设计手段是相差不大的，在研制方法上，国内与国外也是基本相同的。另外，随着国家对通讯、电子战等微波领域的重视和大量资金的投入，近年来国内在某些有源器件设计特别是宽带放大器方面，已经有了巨大的进步，其技术指标已经达到国外同类产品先进水平并处于国内领先地位 4。二十世纪八十年代以来，随着 MMIC 的问世，低噪声放大器也进入了一个崭新的发展纪元，在性能不断提高的同时，其体积越来越小，重量越来越轻，而价格越
13、来越低。国外方面，1979 年 NEC 公司首次报道了 21GHz、增益 7dB 的微波单片集成电路（MMIC）低噪声放大器。Siemens 公司于 1981 年实现了 S 波段单片低噪声放大器的商品化。1984 年 Hughes 公司成功地研制了 818GHz LNA MMIC，增益 8.5dB，噪声系数 4.3dB。NTT 公司在 1986 年相继开发22.526.5GHz 和 18.520.5GHz 频段内的 LNA，芯片尺寸为 2.2x1.1 mm2 和2.0x0.8 mm2。1987 年 Hughes 公司还报道了低成本高性能的 X 波段低噪声MMIC 的研制成果，采用离子注入法，器
14、件尺寸 0.5x300，芯片尺寸为1.9x2.0mm2，设计方法、选用材料及工艺均考虑了提高性能、提高成品率和降低成本，在 9GHz 时，增益 23.6dB 噪声系数 1.8dB，特性一致性为 11.4%。1989年，NEC 公司报道了利用自对准栅工艺，在 12GHz 频率点处获得了 1.07dB 低噪声 MMIC5。现代通信的发展对带宽、线性、效率等指标提出了更高的要求，相应的功放研究也成了未来的趋势和热点。随着材料、计算机以及功放相关理论的进一步发展，可以预见指标更优的低噪声功率放大器服务于无线通信领域。1.3 发展趋势由于射频/微波电路的设计越来越复杂，对电路的指标要求越来越高，电路的功
15、能越来越多，电路的尺寸要求越做越小，而设计周期却越来越短。传统的设计方法已经不能满足微波电路设计的需要，使用射频/ 微波EDA软件工具进行射频/微波元系统的设计已经成为射频/微波电路设计的必然趋势 6。随着单片集成第 6 页 共 40 页电路技术的不断发展，以GaAs硅为基础的微波、毫米波单片集成电路（MIMIC）和超高速单片集成电路（VHSIC）都面临着一个崭新的发展阶段，电路的设计与工艺研制日益复杂化，如何进一步提高电路性能、降低成本，缩短电路的研制周期，已成为电路设计的一个焦点，而EDA技术是设计的关键。EDA技术的范畴包括电子工程设计师进行产品开发的全过程，以及电子产品生产过程中期望由
16、计算机提供的各种辅助功能。一方面EDA技术可以为系统级、电路级和物理实现级三个层次上的辅助设计过程，另一方面EDA技术应包括电子线路从低频到高频，从线性到非线性，从模拟到数字，从分立电路到集成电路的全部设计过程 7。随着无线和有线设计向更高频率的发展和电路复杂性的增加，对于高频电磁场的仿真，由于忽略了高阶传播模式而引起仿真的误差。另外，传统模式等效电路分析方法的限制，与频率相关电容、电感元件等效模型而引起的误差。例如，在分析微带线时，许多易于出错的无源模式是由于微带线或带状线的交叉、阶梯、弯曲、开路、缝隙等等，在这种情况下是多模传输。为此，通常采用全波电磁仿真技术去分析电路结构，通过电路仿真得
17、到准确的非连续模式S参数 8。目前，国外各种商业化的微波EDA软件工具不断涌现，EDA 即Electronic Design Automation，电子设计自动化。微波射频领域主要的 EDA工具首推Agilent公司的ADS软件和 Ansoft公司的HFSS、Designer软件以及 CST，其次是比较小型的有Microwave Office，Ansoft Serenade，Zeland， XFDTD，Sonnet，FEKO等电路设计软件。ADS （Advanced Design System）是美国Agilent 公司推出的电路和系统分析软件，它集成多种仿真软件的优点，仿真手段丰富多样，可实
18、现包括时域和频域、数字与模拟、线性与非线性、高频与低频、噪声等多种仿真分析手段，范围涵盖小至元器件，大到系统级的仿真分析设计；ADS 能够同时仿真射频（RF ） 、模拟（Analog ） 、数字信号处理（DSP ）电路，并可对数字电路和模拟电路的混合电路进行协同仿真。由于其强大的功能，很快成为全球内业界流行的EDA设计工具。主要应用于：射频和微波电路的设计、通信系统的设计、DSP设计和向量仿真。现在最新的版本是ADS2008。当今的通信系统设计工程师遇到更多的设计挑战，除了进一步减小系统的体积和成本，同时要更好地进行数字和射频部分指标的分配，从而获得更好的系统整体性能。与此同时，整个公司也面临
19、第 7 页 共 40 页着激烈市场竞争，需要提高产品性能，缩短产品上市周期，降低成本。为了应对这些挑战，越来越多的公司依赖安捷伦ADS软件，使得他们的通信设计尽早变成现实产品 9。1.4 论文的主要工作本课题主要用仿真软件 ADS2005 进行低噪声功率放大电路的设计，即选用现有的芯片，对其进行阻抗匹配仿真，最终使 S 参数得到优化。论文开展的主要工作及相关章节安排如下：第一章 通过查阅相关资料，介绍了低噪声功率放大器的背景意义、国内外低噪声功率放大器件和技术的发展现状以及发展趋势。第二章 研究了低噪声功率放大器的主要参数指标，了解低噪声功率放大器件性能特性，根据设计要求选取合适的低噪声功率放
20、大器芯片，画出了放大电路原理图，并概述了阻抗匹配网络相关知识。第三章 针对低噪声功率放大电路的主要问题阻抗匹配，利用小信号模型 S 参量法，采用软件匹配的方法，对所选取的芯片用 ADS2005 仿真软件进行设计，最终使仿真结果达到了阻抗匹配的要求。画出设计的低噪声功率放大电路的匹配原理图和 PCB 图。第四章 总结及展望。第 8 页 共 40 页2. 低噪声功率放大电路设计低噪声功率放大电路的主芯片为低噪声功率放大器，由于低噪声功率放大器的生产技术已经非常成熟，现在市场上有很多性能特性良好、价格又便宜的低噪声功率放大器芯片，所以对于本文的低噪声功率放大电路来说，无需再去设计低噪声功率放大器芯片
21、，选用现有的芯片即可，设计的重点将放在低噪声功率放大器的外围匹配电路上。2.1 低噪声功率放大器的概念在发射端，调制振荡电路所产生的射频信号功率很小，需要经过一系列的放大缓冲级、中间放大级、末级功率放大级，获得足够的射频功率后，才能馈送到天线上辐射出去。为了获得足够大的输出功率，功率放大电路必须采用高增益射频功率放大器。而在接收端，由于接收的射频信号电平多在 V 数量级，功率放大电路在对所接收的微弱信号进行信号放大的同时，还会附加一些干扰信号，所以要求放大电路的功率放大器在满足足够增益的情况下，噪声要非常的低。在接收端所用的射频功率放大器一般具有低噪声的特性，也被称为低噪声射频功率放大器 10
22、。2.2 低噪声功率放大器主要技术指标低噪声功率放大器位于射频接收系统的前端，其主要功能是将来自天线的低电压信号进行小信号放大。前级放大器的噪声系数对整个微波系统的噪声影响最大，它的增益将决定对后级电路的噪声抑制程度，它的线性度将对整个系统的线性度和共模噪声抑制比产生重要影响。低噪声功率放大器的主要工程技术参数及其说明见表 2.1。表 2.1 低噪声功率放大器主要技术指标参数说明参数 表示方式 参数 表示方式噪声系数 NF 回波损耗 Reverse losation工作频率范围 f 1 分贝压缩点输出功率 P1dB功率增益 G 三阶截断点 IP3增益平坦度 G输入输出电压驻波比 VSWR下面将
23、对这些参数予以简要的介绍：第 9 页 共 40 页（1）噪声系数（NF）和噪声温度在电路某一特定点上的信号功率与噪声功率之比，称为信号噪声比，简称信噪比，用符号 Ps/Pn（或 S/N）表示。放大器噪声系数是指放大器输入端信号噪声功率比 Psi/Pni 与输出端信号噪声功率比 Pso/Pno 得比值。噪声系数常用式（2.1）表示：）（输 出 端 信 噪 比输 入 端 信 噪 比）（ dBdBNFlg10（2.1）通常，噪声系数用分贝数表示。此时放大器自身产生的噪声常用等效噪声温度 Te 来表达。噪声温度 Te 与噪声系数 NF 的关系如公式 （2.2）Te = T0（NF-1） （2.2）式中
24、，T0 为环境温度，通常取为 293K11。噪声系数的物理含义是：信号通过放大器之后，由于放大器产生噪声，使信噪比变坏；信噪比下降的倍数就是噪声系数。影响放大器噪声系数的因素有很多，除了选用性能优良的元器件外，电路的拓扑结构是否合理也是非常重要的。放大器的噪声系数和信号源的阻抗有关，而与负载阻抗无关 12。（2）工作频率范围（f）动 态 范 围 是 指 低 噪 声放大器输入信号允许的最小功率和最大功率的范围。动态范围的上限受非线性指标限制，动态范围的下限取决于噪声性能。当放大器的噪声系数 NF 给定时，输入信号功率允许最小值计算如公式（2.3）Pmin = NF（kT0fm）M （2.3）式中
25、，fm 为微波系统的通频带；M 为微波系统允许的信号噪声比，或信号识别系数；T0 为环境温度 293K。工作频带不但是指功率增益满足平坦度要求的频带范围，而且还要在全频带内使噪声满足要求，并给出各频点的噪声系数 13。总之放大器满足各项指标的工作频率范围，要保证各项指标以及放大器的实际工作频率应尽可能限定在指定的工作频率范围内。第 10 页 共 40 页（3）功率增益（G）根据线型网络输入、输出端阻抗的匹配情况，有三种放大器增益：工作功率增益 GP（operating power gain） 、转换功率增益 GT（transducer power gain） 、资用功率增益 GA（availa
26、ble power gain） 14。对于实际的低噪声功率放大器，功率增益通常是指信源和负载都是 50 标准阻抗情况下实测的增益。实际测量时，常用插入法，即用功率计先测信源给出的功率 P1，再把放大器接到信源上，用同一功率计测放大器输出功率 P2。功率增益（G）等于 P2 除以 P1。噪声最佳匹配情况下的增益称为相关增益。噪声最佳匹配点并非最大增益点，通常，相关增益比最大增益大概低 24dB，功率增益的大小还会影响整机噪声系数 15。增益在一般情况下指的是功率增益，有的时候也指电压增益，单位常用dB。虽然它们的线性尺度衡量是不同的，但是在输入和输出阻抗相同时，以 dB为单位的电压增益和功率增益
27、的数值是相同的，功率增益和电压增益可以互换。功率增益指输入输出端口良好匹配的情况下，输出功率和输入功率的比值。功率增益和电压增益的定义分别为：功率增益 = 10 lg （dB） 输 入 信 号 功 率输 出 信 号 功 率（2.4）电压增益 = 20 lg （dB） 输 入 的 电 压输 出 的 电 压（2.5）需要注意的是，在说到功率时还经常会碰到“dBm”这个单位，它与 dB 既有联系又有区别。dBm 指的是功率的绝对值，dB 指的是功率的相对值。例如：30dBm - 0dBm = 30dB当计算 A 的功率比 B 大或者小多少个 dB 时，可以用公式 10lg A/B。如果A 的功率比 B 的功率大一倍，那么10 lg A/B = 10lg2 = 3dB 也就是说 A 的功率比 B 的功率大 3dB。如果 A 的功率为 46dBm，B 的功率为 40dBm，则可以说，A 比 B 大 6dB。
