本站小編為你精心準備了S波段低噪聲放大器穩定性設計參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

摘要：為了加快低噪聲放大器的設計過程，采用全微帶匹配技術，使用ADS軟件設計了一款應用于2．2～2．3GHz頻段的低噪聲放大器。該放大器選用Agilent公司的高電子遷移率晶體管ATF－34143，根據噪聲系數和高增益的要求進行兩級放大器電路的設計，為提高設計效率，將偏置電路與穩定性設計相結合。仿真結果表明，在設計頻段內，增益大于23dB，噪聲系數小于0．6dB，輸入輸出駐波比小于1．2。

關鍵詞：低噪聲放大器；ADS；高電子遷移率晶體管；穩定性設計

低噪聲放大器是射頻接收機前端的重要部件，其主要作用是放大天線接收到的微弱信號，并盡可能地降低噪聲干擾，以提高系統接收靈敏度［1］。隨著無線通信技術、雷達技術的快速發展，人們對系統靈敏度提出了更高的要求。因此，研制具有高增益、寬頻帶、低噪聲的微波射頻放大器，已成為現代微波電路設計的核心技術之一。為了提高電路設計效率，采用偏置電路設計與穩定性設計結合在一起的分析方法。首先，根據設計指標選擇合適的有源器件，并確定其靜態工作點；通過合理設計匹配電路，以及將偏置電路設計與穩定性設計綜合在一起考慮的方法，達到降低電路噪聲系數和輸入輸出駐波比，提高增益的目的；最后采用微波仿真軟件ADS對電路進行整體的優化、設計。

1設計方法

根據微波網絡理論設計低噪聲放大器，圖1為晶體管放大器電路原理框圖。其中，ΓS為源反射系數；ΓL為終端負載反射系數；Γin和Γout分別為晶體管的輸入輸出反射系數。不同的ΓS和ΓL決定著晶體管放大器電路的穩定性、噪聲參量、增益和電壓駐波比等性能參數［2］。設計低噪聲放大器電路的過程就是根據其增益、噪聲系數及駐波比等設計要求，并結合晶體管S參數來確定ΓS和ΓL，然后再由ΓS和ΓL的值確定電路的輸入和輸出匹配網絡，最后完成整個電路的設計工作。

2方案闡述

2．1設計指標主要技術指標：工作頻帶2．2～2．3GHz；增益大于20dB，帶內波動小于1dB；噪聲系數小于1dB；輸入輸出回波損耗小于－10dB；輸入駐波比小于1．5；輸出駐波比小于1．5。

2．2方案確定根據上述指標要求，采用兩級放大的電路設計方案。整體電路主要由輸入輸出匹配電路、偏置電路及兩級放大電路組成。多級級聯放大器電路的噪聲系數公式［3］其中Fn和Gn分別為第n級放大器電路的噪聲系數和增益。由此可看出，當第一級增益較大時，級聯放大器總的噪聲主要取決于第一級電路的噪聲，所以第一級放大器對噪聲系數影響較大，設計時應選擇優質器件；而第二級主要考慮增益，并要求級間和后級有最大傳輸功率。在器件的選擇方面，選用Agilent公司的ATF－34143低噪聲管，由數據手冊可知，在0．5～10GHz的較寬頻帶內，晶體管具有噪聲系數低、增益高、輸入輸出易匹配和性能穩定等優點，是一款比較成熟的高性能晶體管，能很好地滿足設計需求。整個電路集成在同一塊基片上，設計選用F4B作為板材，其介電常數εr＝2．65，板材厚度h＝1mm，損耗角正切tanδ＝0．0017。電路匹配的傳輸線阻抗和電長度可基于以上參數，利用ADS等微波仿真軟件快速計算得到。2．3靜態工作點的選擇靜態工作點的選擇對電路正常工作有很大影響。從晶體管ATF－34143的數據手冊可看出，圖2（a）、（b）分別是ATF－34143在2GHz時，噪聲系數F與 Vds及Id的關系、增益Gain與Vds及Id的關系，當Vds＝3V，Id＝20mA時，噪聲系數接近最小值，增益約為17dB，晶體管工作為最佳狀態，滿足設計要求。因此，晶體管的靜態工作點選為Vds＝3V，Id＝20mA。

3電路設計與仿真

3．1穩定性分析穩定性是放大器的一個重要性能指標。穩定性通常分為2種情況：1）絕對穩定狀態。在這種情況下，放大器電路對于任意無源負載和信號源阻抗，都能穩定工作。2）條件穩定狀態。此時，電路的負載阻抗和信號源不能隨意選取，否則會引起電路自激振蕩的產生。放大器在工作頻帶內能否達到穩定，由以下條件決定［4］：式中，K、b稱為穩定性判別系數，Δ＝S11S22－S12S21，K＞1且b＞0時為穩定狀態，只有當式（2）～（5）同時滿足時，才能保證放大器處于絕對穩定狀態。為防止放大器在通頻帶內產生自激振蕩，在設計偏置電路和匹配電路前，需要先對管芯的S參數進行穩定性掃描分析。圖3給出了晶體管ATF－34143在Vds＝3V，Id＝20mA偏置條件下的穩定性仿真結果。由圖3可見，當頻率小于6GHz時，穩定性判別系數K＜1，b＞0，管芯處于不穩定的工作狀態。通常使用以下3種方法提高電路的穩定性：1）在電路的輸入或輸出端串聯或并聯電阻，利用其阻性終端的特性消耗部分能量，降低放大器的增益，其缺點是增大了系統的噪聲系數；2）通過源極引入負反饋來改善低頻段穩定性，但這種方法容易引起高頻段的不穩定；3）采用漏極負反饋來提高晶體管穩定性［5］。設計綜合采用源極引入負反饋和漏極接入有耗元件的方法，使放大器在工作頻段內達到絕對穩定狀態。

3．2直流偏置電路分析在擬定的靜態工作點下，直流偏置電路決定晶體管放大器能否正常工作是設計的關鍵部分。考慮到設計指標對噪聲系數、增益等要求較高和后續電路調試需要，本設計采用了雙電源供電模式［6］，柵極和漏極偏置網絡均按圖4所示模型進行設計。在柵極偏置網絡中，Port1一端接入微波通路，另一端通過接入一小段λ／4高阻微帶線來遏制交流信號對直流電源的影響。文獻［7］指出，電阻R1的值與噪聲系數密切相關，電阻R1越大，噪聲越大，為得到良好的噪聲系數，電阻R1的值應盡可能地小。電容C1應選取諧振頻率在中心頻率附近的電容，目的在于使得Port1處對設計頻段內的微波信號呈現較大的阻抗［8］。電容C2和C3作為電源的去耦電容，其目的主要是濾除電源的低頻噪聲，以防止電源噪聲進入微波通路。

3．3穩定性和偏置電路綜合設計采用將偏置電路設計與穩定性設計結合在一起分析的方法，將兩者之間的相互影響聯系起來進行綜合設計，可提高設計效率。通過源端串聯一個短路微帶線，形成負反饋，同時在漏極加入一個電阻，進一步地提高低頻穩定性。經過反復調試和優化，最終使電路在頻帶內處于絕對穩定狀態。圖5為穩定性和偏置電路綜合考慮時的電路設計原理圖。表1為電路穩定性仿真結果，由表1可看出，在0．5～10GHz的頻率范圍內，穩定性判別系數K＞1，b＞0，說明放大器電路在整個工作頻帶內處于絕對穩定的工作狀態。

3．4單級電路設計匹配電路設計對整個放大器起關鍵作用，最終決定了電路噪聲系數、增益和輸入輸出端口駐波比等［9］，匹配電路由輸入輸出匹配及級間匹配電路構成。對于工作在S波段的低噪聲放大器，電路的輸入輸出匹配網絡采用由幾段串聯或并聯的微帶線組成的分布參數元件構成。為在設計頻帶內獲得滿意的匹配效果，通常先對中心頻率處進行匹配設計，然后再在整個頻帶范圍內對電路進行微調并優化［6］。在本設計中，匹配電路采用T型網絡結構，對輸入端進行匹配時，要以實現最佳噪聲為目的進行匹配，對輸入匹配網絡進行微調，同時嚴格控制電路噪聲系數，且兼顧增益、輸入駐波比等，輸出匹配電路主要用于提高電路增益，改善增益平坦度和降低輸出駐波比等。在初步確定了各匹配電路結構后，利用ADS軟件強大的優化仿真和調諧功能對電路整體進行優化，通過在ADS里設置匹配網絡為優化目標，優化得到各段微帶線的最佳尺寸，以確保各項指標均滿足設計要求。圖6為單級電路整體仿真原理圖，其中，Ⅰ表示輸入匹配網絡；Ⅱ表示柵極偏置網絡；Ⅲ表示微帶線構成的源極負反饋；Ⅳ是為改善電路低頻穩定性而串聯的電阻。單級低噪放的輸入、輸出端回波損耗和駐波比分別如圖7、8所示。在2．2～2．3GHz頻帶內，電路的輸入輸出端回波損耗小于－15dB，輸入輸出端口電壓駐波比均小于1．2，端口阻抗匹配得比較好：由圖9可知，單級放大器的增益最高達到12dB，反向傳輸系數S12小于－15dB。由圖10可知，輸出端口的噪聲系數小于0．5dB，表明電路的噪聲匹配特性較好。

3．5兩級電路仿真優化結果由于單級電路難以滿足增益指標的要求，未能很好地抑制后級電路產生的噪聲影響，因此需要進行電路的兩級級聯設計，把增益提高到20dB以上。電路的仿真和整體優化仍然在微波仿真軟件ADS中進行，將2個單級放大器電路進行級聯設計。以單級低噪聲放大器電路仿真結果為基礎，按照設計指標要求，將電路的噪聲參量、增益、輸入和輸出端口駐波比等參數設置為優化目標，將各微帶線的尺寸、電容和電阻值設置為優化變量，對電路進行整體優化、調整。放大器電路的各項參數相互制約和影響，不能同時取得最佳值，故設計時應有所取舍，以使低噪聲放大器電路各項性能達到指標要求。圖11給出了兩級低噪聲放大器電路原理圖。電路的整體仿真優化結果如圖12～14所示。由圖可知，在設計頻帶范圍內，電路的輸入、輸出駐波比均在1．2以下，匹配特性良好；電路增益大于23dB，且增益平坦度在±0．5dB范圍內；輸出端口的噪聲系數小于0．6dB，在保證低噪聲放大器得到較低噪聲系數的條件下，同時獲得了較低的駐波比，電路滿足整體設計指標要求。

4結束語

基于晶體管ATF－34143設計了一款S波段低噪聲放大器。采用源級引入負反饋和漏極接入有耗元件的方法，在達到噪聲匹配和最小輸入反射匹配的同時，通過在偏置電路和主傳輸線的恰當位置引入有耗電阻，滿足了放大器電路在設計頻段內穩定的要求。同時，本設計各項指標雖然達標，但是電路仍然有一些地方需要改進，如電路的增益平坦度不夠平穩，變化范圍比較大，這有待在下一步的研究中加以改進。

參考文獻：

［1］徐興福．ADS2008射頻電路設計與仿真實例［M］．北京：電子工業出版社，2009：118－121．

［2］潘安，成浩，葛俊祥．X波段低噪聲放大器的設計與仿真［J］．現代雷達，2014，36（1）：66－70.

［4］王振朝，種少飛，韋子輝，等．射頻低噪聲放大器設計與仿真［J］．電視技術，2014，38（5）：81－88．

［5］馬群．S波段低溫低噪聲放大器［J］．低溫與超導，2013，41（8）：89－92．

［6］程曦，邱義杰．6～18GHz小型化低噪聲放大器的設計［J］．微波學報，2012，28（5）：85－88．

［7］王龍龍，項鐵銘，張范琦．X波段低噪聲放大器的仿真與設計［J］．杭州電子科技大學學報，2015（4）：11－15．

［9］韋可雷，郭敏，黃雷，等．2．4GHz低噪聲放大器設計［J］．電子設計工程，2016，24（18）：172－174．

作者：李占祥 岳宏衛 吳超飛 龔全熙 單位：桂林電子科技大學