0引言
在通信系統(tǒng)中，衡量通信質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)是信噪比，而改善信噪比的關(guān)鍵就在于降低接收機(jī)的噪聲系數(shù)。一個(gè)具有低噪聲放大器的接收機(jī)系統(tǒng)，其整機(jī)噪聲系數(shù)將大大降低，從而靈敏度大大提高。因此在接收機(jī)系統(tǒng)中低噪聲放大器是很重要的部件。
1電路仿真設(shè)計(jì)
該項(xiàng)目的微波低噪聲放大器是利用微波低噪聲場(chǎng)效應(yīng)管在微波頻段進(jìn)行放大。特別需要注意的是，因?yàn)?font class="f14">場(chǎng)效應(yīng)管都存在著內(nèi)部反饋，當(dāng)反饋量達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，將會(huì)引起放大器穩(wěn)定性變壞而導(dǎo)致自激，改善微波管自身穩(wěn)定性采取的是串接阻抗負(fù)反饋法，在場(chǎng)效應(yīng)管的源極和地之間串接一個(gè)阻抗電路，構(gòu)成負(fù)反饋電路。實(shí)際的微波放大器電路中反饋元件常用一段微帶線(xiàn)代替，相當(dāng)于電感性元件負(fù)反饋，這樣對(duì)電路穩(wěn)定性有所改善。
1.1確定電路形式
噪聲系數(shù)是低噪聲放大器的重要技術(shù)指標(biāo)之一，低的噪聲系數(shù)與低的輸入駐波在低噪聲放大器的設(shè)計(jì)中是一對(duì)矛盾。該項(xiàng)目低噪聲放大器在設(shè)計(jì)中摒棄了通常為實(shí)現(xiàn)低輸入駐波采用輸入加隔離器的方法，采用負(fù)反饋放大電路。負(fù)反饋放大電路具有頻帶響應(yīng)寬、輸入輸出駐波小和穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。
利用PHEMT芯片，應(yīng)用混合集成工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)，在寬頻帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了低噪聲系數(shù)和低駐波特性。
器件的選用恰當(dāng)與否直接關(guān)系到性能指標(biāo)的優(yōu)劣，寬帶低噪聲放大器最關(guān)鍵的器件就是放大器的基礎(chǔ)——GaAsPHEMT芯片。為滿(mǎn)足高增益指標(biāo)，GaAsPHEMT應(yīng)具有盡可能高的跨導(dǎo)；同時(shí)，為了滿(mǎn)足低的噪聲系數(shù)，GaAsPHEMT自身的噪聲系數(shù)應(yīng)盡可能低；由于型譜產(chǎn)品頻段較高，為了避免分布參數(shù)帶來(lái)的影響，同時(shí)減小體積，GaAsPHEMT選擇采用管芯。
該項(xiàng)目為了兼顧噪聲和增益，所以采用2級(jí)放大。第1級(jí)放大器的設(shè)計(jì)必需是最佳噪聲設(shè)計(jì)，即輸入匹配網(wǎng)絡(luò)必需是最佳噪聲匹配網(wǎng)絡(luò)，不必追求最大增益；第2級(jí)放大器保證輸出功率和總增益。
1.2第1級(jí)放大器的仿真設(shè)計(jì)
經(jīng)過(guò)選擇該項(xiàng)目第1級(jí)使用Fujits的FHX13X,其噪聲特性比較好，使用2個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管來(lái)進(jìn)行并聯(lián)放大設(shè)計(jì)。并聯(lián)放大器的好處在于它的低噪聲特性，而且容易進(jìn)行匹配。為了改善穩(wěn)定性，第1級(jí)放大器的2個(gè)源極和地之間各串聯(lián)一個(gè)RLC諧振電路，并且加入負(fù)反饋，在柵——漏之間加入RL串聯(lián)的反饋電路，這樣雖然會(huì)降低增益，增加噪聲，但是會(huì)對(duì)電路的穩(wěn)定性，增益平坦度，寬帶的實(shí)現(xiàn)，輸入輸出駐波比有很大改觀(guān)。
利用軟件進(jìn)行仿真的結(jié)果如圖1所示。
圖1輸入輸出反射系數(shù)仿真結(jié)果
如圖1所示輸入輸出阻抗均完美的匹配好，輸入輸出反射系數(shù)在7~8GHz的頻帶內(nèi)均小于-15dB,在匹配的中心點(diǎn)7.5GHz其更是達(dá)到了-35.322和-44.042,可以說(shuō)匹配相當(dāng)好。
如圖2所示，噪聲在7~8GHz的范圍內(nèi)低于1.1dB。增益在7.5GHz的時(shí)候?yàn)?3.954,與預(yù)估值13.955相差無(wú)幾，且增益平坦度小于1dB。
這樣就完成了第1級(jí)設(shè)計(jì)，輸入輸出阻抗完美匹配，噪聲小于1.1dB,且有良好的增益為13.954dB。
圖2第一級(jí)噪聲系數(shù)和增益仿真結(jié)果
接下來(lái)進(jìn)行功率輸出級(jí)的設(shè)計(jì)，功率輸出級(jí)選用的是Transcom公司的TC1201。偏置方式采用的是自給偏置的方式，將其偏置在4V25mA,做好偏置后生成它的S2P文件，建模并仿真，仿真過(guò)程同第1級(jí)一樣。接好負(fù)反饋和穩(wěn)定性偏置，并且對(duì)器件參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，由于單靠源級(jí)的串聯(lián)電路和柵——漏間的負(fù)反饋電路不足以使得電路在7~8GHz達(dá)到穩(wěn)定，所以在柵極加入了一個(gè)對(duì)地并聯(lián)匹配電感，優(yōu)化后的仿真結(jié)果如圖3所示。
圖3第2級(jí)增益仿真結(jié)果
如圖3可知，輸入輸出阻抗匹配良好，且增益最高點(diǎn)為12.449,與預(yù)估的12.463相差無(wú)幾。在7~8GHz的頻帶內(nèi)，輸入輸出反射系數(shù)也均小于-20dB,增益均大于11.5dB。這樣就完成了第2級(jí)功率放大級(jí)的設(shè)計(jì)。
1.4兩級(jí)級(jí)聯(lián)的仿真設(shè)計(jì)
接下來(lái)將2級(jí)級(jí)聯(lián)在一起，由于第1級(jí)的輸出端和第2級(jí)的輸入端均完美的匹配到50,所以級(jí)聯(lián)也沒(méi)有什么問(wèn)題，由圖4可以看出，輸入輸出阻抗匹配方面，在中心點(diǎn)7.5GHz處，均匹配良好，駐波比在1.086左右。而在7~8GHz范圍內(nèi)，駐波比也均小于2。
圖4輸入輸出反射系數(shù)和駐波比仿真結(jié)果
從圖5可以得到，增益在中心頻率達(dá)到26.401dB,在7~8GHz范圍內(nèi)也均在25dB以上。
噪聲系數(shù)在7.5GHz為1.007dB,應(yīng)用頻段內(nèi)的噪聲最大也不超過(guò)1.1dB。
圖5高級(jí)級(jí)聯(lián)后的增益及噪聲仿真結(jié)果
1.5仿真結(jié)果分析
通過(guò)仿真結(jié)果可以看出，放大器的輸入輸出駐波比、噪聲和增益等指標(biāo)基本上都合格。從設(shè)計(jì)中可以了解使用ADS來(lái)設(shè)計(jì)低噪聲放大器的基本方法，首先要做的就是偏置電路的設(shè)計(jì)，然后用S參數(shù)仿真來(lái)進(jìn)行穩(wěn)定性的判斷，若在使用頻段內(nèi)不穩(wěn)定，還需要進(jìn)行穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)。當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)管工作穩(wěn)定后就要對(duì)其進(jìn)行阻抗匹配。一般低噪聲放大器的第1級(jí)需要良好的噪聲特性，所以第1級(jí)的輸入端進(jìn)行最佳噪聲阻抗到50源負(fù)載的匹配，輸出端進(jìn)行共軛匹配。如果要考慮到第1級(jí)的增益輸出不能太低的話(huà)，則需要畫(huà)出增益圓圖和噪聲圓圖，然后選擇合適的源阻抗值，犧牲一部分噪聲來(lái)提高增益。第2級(jí)一般為功率輸出級(jí)，需要的是最大的增益輸出，所以第2級(jí)一般對(duì)輸入輸出同時(shí)向50負(fù)載做共軛匹配，在匹配之前，需要算出最佳共軛匹配的ZS和ZL值，這個(gè)值只有在電路穩(wěn)定的情況下才唯一存在的。
2級(jí)分別設(shè)計(jì)，再級(jí)聯(lián)，由于計(jì)算機(jī)已經(jīng)進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化，通常不需調(diào)整就可達(dá)到比較滿(mǎn)意的效果。
器件參數(shù)的離散性，以及加工誤差，實(shí)際加工出來(lái)的結(jié)果有一些微小差異，這就需要在實(shí)際調(diào)試中，稍微調(diào)整一下分布參數(shù)，就可達(dá)到最佳的效果。
2結(jié)束語(yǔ)
該放大器利用ADS2008優(yōu)化設(shè)計(jì)和仿真，在研制過(guò)程中，通過(guò)優(yōu)化噪聲系數(shù)、增益和輸入輸出駐波比之間的矛盾，由計(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)噪聲匹配及負(fù)反饋的深度，改變放大器各指標(biāo)間的相互矛盾，使整個(gè)放大器達(dá)到最佳工作狀態(tài)，最終實(shí)現(xiàn)的放大器噪聲低、增益高、體積小、重量輕，作為接收機(jī)的射頻前端，已經(jīng)在無(wú)人機(jī)機(jī)載和地面設(shè)備中得到應(yīng)用。