基于ADS仿真的宽带低噪声放大器设计

　　1 引言

　　低噪声放大器(LNA)是现代微波通信、雷达、电子战系统中的重要部件，它处于接收系统的前端，对天线接收到的微弱射频信号进行线性放大，同时抑制各种噪声干扰，提高系统灵敏度。由于LNA在接收系统中的特殊位置和作用，该部件的设计对整个接收系统的性能指标起着关键作用。当今低噪声放大器主要采用单片微波集成电路(MMIC)技术，将所有有源器件(如双极性晶体管或场效应晶体管)和无源器件(如电阻器、电感器、电容器和传输线等)全部集成在一块半导体晶片上，以实现低噪声放大功能，具有尺寸小、重量轻、成本低及可靠性高的特点。

　　本文介绍了一种宽带低噪声放大器的设计方法。设计时首先根据性能指标要求选择合适的有源器件，确定相应的工作状态和偏置条件及器件的稳定状态，然后合理设计匹配电路和负反馈电路，最后对整体电路进行优化。设计中采用微波仿真软件ADS对电路进行CAD辅助设计并给出了仿真结果。

　　仿真结果表明，放大器各性能参数满足设计指标。

　　2　低噪声放大器电路设计与仿真

　　2.1　放大器主要技术指标

　　本文设计的低噪声放大器主要技术指标：工作频率2.7～3.1GHz,噪声系数(NF)小于0.8dB,带内增益G>30dB,带内平坦度小于±1dB,输入输出驻波比(VSWR)小于1.6dB,1dB增益压缩点输入功率P1dB≥-15dBm。

　　2.2　器件的选择和设计方案

　　考虑到增益和噪声系数要求较高，所以选用PHEMTGaAsFET低噪声放大管。另外，在进行电路设计前，首先要建立放大器件的小信号模型。为了设计简便，一般选择具有现成模型的放大器件。由于安捷伦公司为其产品提供了精确的ADS模型，因此采用安捷伦公司的一种增强型E-PHEMT管ATF541M4,该管工作频率为0.45～10GHz,具有线性度好、噪声系数低的特点，而且工作时不需要负的栅极电压，便于单电源供电，在Vds=3V,Ids=60mA的偏置条件下，3GHz时最小噪声系数约为0.5dB,增益为17.5dB,1dB压缩点输出功率21.4dBm,为了得到30dB的增益，采用两级级联放大结构，将两个晶体管集成在同一基片上，输入输出端口之间通过微带线匹配到50Ω。

　　2.3　偏置电路的设计

　　根据ATF541M4管的数据手册，在Vds=3V,Ids=60mA的偏置条件下，Vgs=0.58V,因此可以采用单极性无源偏置网络，在管子的漏极和栅极加偏置，源极为直流接地状态，采用常用的电阻自偏压结构为晶体管提供相应的直流电压和电流，偏置电路如图1所示。

　　在供电电压为5V的条件下，经过计算R1为290Ω，R2为1195Ω，R3为286Ω，电路中的C1、C2、C3为旁路电容，C4为隔直电容，L1和L2为高频扼流电感。为了进一步得到精确的偏置电阻值，可以对偏置电路进行直流仿真，根据源极和漏级电压值对电阻进行微调，以满足偏置条件。