0引言

　　在通信系統(tǒng)中，衡量通信質(zhì)量的一個重要指標(biāo)是信噪比，而改善信噪比的關(guān)鍵就在于降低接收機的噪聲系數(shù)。一個具有低噪聲放大器的接收機系統(tǒng)，其整機噪聲系數(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

　　該項目的微波低噪聲放大器是利用微波低噪聲場效應(yīng)管在微波頻段進行放大。特別需要注意的是，因為場效應(yīng)管都存在著內(nèi)部反饋，當(dāng)反饋量達到一定強度時，將會引起放大器穩(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反饋法，在場效應(yīng)管的源極和地之間串接一個阻抗電路，構(gòu)成負反饋電路。實際的微波放大器電路中反饋元件常用一段微帶線代替，相當(dāng)于電感性元件負反饋，這樣對電路穩(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)計中是一對矛盾。該項目低噪聲放大器在設(shè)計中摒棄了通常為實現(xiàn)低輸入駐波采用輸入加隔離器的方法，采用負反饋放大電路。負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。

　　利用PHEMT芯片，應(yīng)用混合集成工藝進行設(shè)計，在寬頻帶范圍內(nèi)實現(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。為滿足高增益指標(biāo)，GaAsPHEMT應(yīng)具有盡可能高的跨導(dǎo)；同時，為了滿足低的噪聲系數(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)帶來的影響，同時減小體積，GaAsPHEMT選擇采用管芯。

　　該項目為了兼顧噪聲和增益，所以采用2級放大。第1級放大器的設(shè)計必需是最佳噪聲設(shè)計，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級放大器保證輸出功率和總增益。

　　1.2第1級放大器的仿真設(shè)計

　　經(jīng)過選擇該項目第1級使用Fujits的FHX13X,其噪聲特性比較好，使用2個場效應(yīng)管來進行并聯(lián)放大設(shè)計。并聯(lián)放大器的好處在于它的低噪聲特性，而且容易進行匹配。為了改善穩(wěn)定性，第1級放大器的2個源極和地之間各串聯(lián)一個RLC諧振電路，并且加入負反饋，在柵——漏之間加入RL串聯(lián)的反饋電路，這樣雖然會降低增益，增加噪聲，但是會對電路的穩(wěn)定性，增益平坦度，寬帶的實現(xiàn)，輸入輸出駐波比有很大改觀。

　　利用軟件進行仿真的結(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7.5GHz其更是達到了-35.322和-44.042,可以說匹配相當(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的時候為13.954,與預(yù)估值13.955相差無幾，且增益平坦度小于1dB。

　　這樣就完成了第1級設(shè)計，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第一級噪聲系數(shù)和增益仿真結(jié)果

　　接下來進行功率輸出級的設(shè)計，功率輸出級選用的是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，仿真過程同第1級一樣。接好負反饋和穩(wěn)定性偏置，并且對器件參數(shù)進行優(yōu)化，由于單靠源級的串聯(lián)電路和柵——漏間的負反饋電路不足以使得電路在7~8GHz達到穩(wěn)定，所以在柵極加入了一個對地并聯(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，且增益最高點為12.449,與預(yù)估的12.463相差無幾。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級功率放大級的設(shè)計。

　　1.4兩級級聯(lián)的仿真設(shè)計

　　接下來將2級級聯(lián)在一起，由于第1級的輸出端和第2級的輸入端均完美的匹配到50,所以級聯(lián)也沒有什么問題，由圖4可以看出，輸入輸出阻抗匹配方面，在中心點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1.1dB。

圖5高級級聯(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)計中可以了解使用ADS來設(shè)計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，然后用S參數(shù)仿真來進行穩(wěn)定性的判斷，若在使用頻段內(nèi)不穩(wěn)定，還需要進行穩(wěn)定性的設(shè)計。當(dāng)場效應(yīng)管工作穩(wěn)定后就要對其進行阻抗匹配。一般低噪聲放大器的第1級需要良好的噪聲特性，所以第1級的輸入端進行最佳噪聲阻抗到50源負載的匹配，輸出端進行共軛匹配。如果要考慮到第1級的增益輸出不能太低的話，則需要畫出增益圓圖和噪聲圓圖，然后選擇合適的源阻抗值，犧牲一部分噪聲來提高增益。第2級一般為功率輸出級，需要的是最大的增益輸出，所以第2級一般對輸入輸出同時向50負載做共軛匹配，在匹配之前，需要算出最佳共軛匹配的ZS和ZL值，這個值只有在電路穩(wěn)定的情況下才唯一存在的。

　　2級分別設(shè)計，再級聯(lián)，由于計算機已經(jīng)進行了參數(shù)優(yōu)化，通常不需調(diào)整就可達到比較滿意的效果。

　　器件參數(shù)的離散性，以及加工誤差，實際加工出來的結(jié)果有一些微小差異，這就需要在實際調(diào)試中，稍微調(diào)整一下分布參數(shù)，就可達到最佳的效果。

　　2結(jié)束語

　　該放大器利用ADS2008優(yōu)化設(shè)計和仿真，在研制過程中，通過優(yōu)化噪聲系數(shù)、增益和輸入輸出駐波比之間的矛盾，由計算機調(diào)節(jié)噪聲匹配及負反饋的深度，改變放大器各指標(biāo)間的相互矛盾，使整個放大器達到最佳工作狀態(tài)，最終實現(xiàn)的放大器噪聲低、增益高、體積小、重量輕，作為接收機的射頻前端，已經(jīng)在無人機機載和地面設(shè)備中得到應(yīng)用。