基于ADS的X波段低噪声放大器的设计与仿真

基于 ADS的 X波段低噪声放大器的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 与仿真 刘喜明1, 2 ( 1.上海交通大学 上海 200030; 2. 中航雷达与电子设备研究院 江苏 无锡 214063) 摘 要:主要介绍了低噪声放大器的设计理论及用 Agilent公司的 ADS 仿真软件进行 X波段低噪声放大器的设计和仿 真。在设计的过程中选择了 NEC 公司的 HEM T 管 NE3210S01, H EMT 管与 FET 相比较, 其噪声系数更低, 增益和工作频 率更高。进行阻抗匹配采用的拓扑结构是并联导纳式结构, 即利用串联微带传输线进行导纳变换, 然后并联一个微带分支 线,微带线的终端开路(或短路) , 用其输入导纳作为补偿电纳, 以达到电路匹配。最后给出了仿真结果、版图设计及实测 结果。 关键词:噪声系数; S 参数;低噪声放大器; ADS;匹配网络 中图分类号: T N95 文献标识码: B 文章编号: 1004-373X( 2008) 19-051-03 Design and Simulation X-band Low Noise Amplifier with ADS L IU Ximing 1, 2 ( 1. Shanghai Jia otong University, Shanghai, 200030, China; 2. Radar and A vionics Institute o f AVIC,Wux i, 214063, China) Abstract: The theor y of designing a LNA , X-band LNA w ith Ag ilent ADS are ineroduced. Selecting the H EMT NE3210S01 of NEC Company. Comparing with HEMT and FET , its no ise figure is much low er, g ain and wo rking frequency are much higher . T he topolog y structur e o f match netwo rk is parallel connect ion admitt ance str ucture, namely using str ipline to make admittance transformat ion, t hen merge a st ripline branch line, the t erminal of the str ipline is open circuit( o r sho rt cir- cuit) , using input admittance as expiation of electr icity admittance attains electric cir cuit . At last , offering t he simulation r e- sults, the layout and the measured results. Keywords: NF; S-par ameter ; low no ise amplifier; ADS; match netw ork 收稿日期: 2008-03-28 1 引 言 随着雷达技术的迅猛发展及对雷达性能的要求越 来越高,低噪声微波放大器( LNA)已被广泛应用于雷 达系统中,并且成为了雷达接收系统中必不可少的重要 电路。低噪声放大器位于雷达接收系统的前端,其主要 功能是将来自天线的微弱信号进行小信号放大。低噪 声放大器的噪声系数的好坏直接影响了雷达接收系统 的灵敏度。 LNA 不仅仅被应用在雷达接收系统中,目前已被 广泛应用于通信、电子对抗以及遥控遥测系统接收设备 中,研制出性能优良的微波低噪声放大器对满足市场需 求具有重要意义。 本文采用了 Agilent 公司的 Advanced Design Sys- tem( ADS)软件进行仿真设计。此软件能够提供各种 微波射频电路的仿真和优化设计。本文着重介绍如何 使用 ADS 进行低噪声放大器的设计。 2 晶体管放大器的设计理论 一个晶体管可以用一个二端口网络来 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示。利用 晶体管的散射参数( S 参数) 以及一定偏置条件下的噪 声参数, 就可以开始进行晶体管放大器的设计了。图 1 为微波放大器的原理框图,放大器的输入匹配网络将信 号源阻抗 Z1(一般为 50 8 ) 变换到源阻抗, 或者说变换 到源反射系数 #S。而放大器的输出匹配网络将阻抗 Z2(一般也为 50 8 ) 变换到负载阻抗 ZL , 或者说, 变换 到负载反射系数 #L。 图 1 微波晶体管放大器的原理框图 3 X波段低噪声放大器的设计 低噪声放大器的设计与一般线性放大器设计的区 51 5现代电子技术62008年第 19期总第 282期 þ通信与信息技术ü 别是:一般线性放大器为了获得高增益, 每级放大器都 要求进行功率匹配; 而低噪声放大器的第一级必须进行 最佳噪声匹配, 中间级跟末级进行功率匹配以获得良好 的噪声系数和增益特性。 一般来说, 一个低噪声放大器可按如下步骤设计: ( 1) 选择,器件的噪声系数应低于设计值,而增益 (可以级联)应高于设计值; ( 2) 计算器件的稳定因子 K ; (3) 如果 K > 1,则选择和设计包括偏置电路在内 的输入和输出匹配电路; (4) 如果K < 1,则在反射平面上给出不稳定区域, 并选择和设计能避开不稳定区域的匹配网路。 ( 5)利用分析的方法或计算机辅助设计手段来计算 放大器的性能, 检验放大器在带内和带外的稳定性。 低噪声放大器的主要性能指标包括: 噪声系数、放 大增益、工作带宽、增益平坦度等, 这些指标噪声系数和 增益对整个系统的影响较大。 噪声系数的物理含义: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。噪声系数的定义如下: N f = S in / N in Sout / N out 噪声系数用分贝数表示为: N f ( dB) = 10lg N f。 功率增益: 微波放大器功率增益有多种定义, 比如 资用增益、实际增益、共轭增益等。对于实际的低噪声 放大器,功率增益通常是指信源和负载都是 50 8 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 阻抗情况下实测的增益。实际测量时, 常用插入法,即 用功率计先测信号源能给出的功率 P 1 ; 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 益就是: G = P2 / P1。 增益平坦度: 就是指在工作频带内功率增益的起 幅,常用最高增益与最小增益之差表示。 3. 1 设计指标要求 频率范围: 9~ 10 GHz; 增益: 25 ? 1. 5 dB;噪声系 数: < 1. 10 dB(不加隔离器测试) ;驻波比: < 1. 5(加隔 离器测试)。 3. 2 晶体管及微带电路衬底的选择 晶体管选择 NEC 公司的 HEMT 管 NE3210S01。 生产厂家给出了晶体管在 VDS = 2V , I D = 10 mA 的条 件下各频率点的 S 参数以及噪声参数。其中, 在工作 频率为 10 GHz 时, NF 为 0. 32 dB, 增益为 14. 7 dB。 根据厂家提供的资料可知, 用 NE3210S01 来设计的低 噪声放大器是能够满足指标要求的, 由于此 LNA 要求 增益为 25. 5 dB ? 1 dB左右,所以准备用两级来完成设 计。前级主要用于噪声匹配, 后级主要用于功率匹配。 微带电路的电解质材料选择 Roger s 公司的 RO4003。它的相对介电常数 Er = 3. 38 ? 0. 05, 损耗角 正切 tan R= 0. 002 7。 3. 3 低噪声放大器的设计与仿真 3. 3. 1 匹配网络设计 由于采用的是两个相同的晶体管,可以直接开始匹 配电路的设计,否则还需要根据晶体管的噪声估量来判 断哪一个晶体管置于第一级, 以获得较低的噪声系数。 两级放大器的结构如图 2所示。 图 2 两级放大器的设计框图 3. 3. 2 匹配网络的计算机仿真 在设计匹配网络的时候,选择合理的拓扑结构对于 低噪声放大器的设计至关重要。本文采用的拓扑结构 是并联导纳式结构,即利用串联微带传输线进行导纳变 换, 然后并联一个微带分支线,微带线的终端开路(或短 路) ,用其输入导纳作为补偿电纳,以达到电路匹配。 设计完各部分的匹配电路之后, 一般都需要用 ADS 进行优化。优化的时候一般可先采用 Random 优 化, 在达到比较好的效果时,再用 Gradient 方法。为了 达到比较理想的结果, 可以反复修改优化的对象、方法 和目标。 图 3~ 图 6 是加上直流偏置电压最后的仿真结果 (带隔离器仿真结果。隔离器指标: 损耗: 01 3 dB, 驻波 1: 11 18 dB,驻波 2: 11 2 dB)。 图 3 输入输出驻波比仿真结果 图 4 稳定因子仿真结果 52 通 信 设 备 刘喜明:基于 ADS 的 X波段低噪声放大器的设计与仿真 图 5 增益仿真结果 图 6 噪声系数仿真结果 3. 3. 3 低噪声放大器的版图 仿真完成后要根据结果用 Pr otel软件绘制电路版 图,最后获得的版图如图 7所示。 图 7 本次设计的低噪声放大器的版图 4 测试结果 低噪声放大器输入端和输出端没有加隔离器时测 得噪声系数及增益如图 8所示。 图 8 未加隔离器测得噪声系数及增益 低噪声放大器输入端和输出端加隔离器时测得噪 声系数及增益如图 9所示。 低噪声放大器输入端和输出端加隔离器时测得S 11 及 S22如图 10所示。 图 9 加隔离器测得噪声系数及增益 图 10 输入输出驻波比 5 结 语 从以上仿真的结果可以看出,利用 ADS 的模型和 强大的仿真环境, 给设计带来了极大的方便。ADS 软 件包含了很多的元器件库和原理图模型,是个很好的电 路设计的仿真工具。利用 ADS电路仿真可以在设计中 预先对电路进行优化,减小实际电路制造中的风险。 参 考 文 献 [ 1] 陈邦媛.射频通信电路[ M ] . 北京:科学出版社, 2003. 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