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[导读]摘要:NI Multisim 10是著名的EDA软件,其仿真功能非常强大,RF电路中LNA的设计是一个难题。使用Multisim设计RF LNA电路,利用虚拟网络分析仪和Smith圆图,对典型RF LNA电路的各种参数进行仿真测试,进而设计阻抗匹配

摘要:NI Multisim 10是著名的EDA软件,其仿真功能非常强大,RF电路中LNA的设计是一个难题。使用Multisim设计RF LNA电路,利用虚拟网络分析仪和Smith圆图,对典型RF LNA电路的各种参数进行仿真测试,进而设计阻抗匹配网络,优化电路性能,在设计实践中取得了很好的效果。这对于通信电子产品的设计,对于RF电路的教学和创新型实验具有重要的意义。
关键词:Multisim 10;RF LNA电路;仿真和设计;网络分析仪;Smith圆图;阻抗匹配

    近年来,随着科技的发展,便携式数据终端(PDT)逐渐走人人们的生活,第3代移动通信(3G)、全球定位系统(GPS)、无线局域网(WIAN)以及卫星微波等通信电子产品已走入人们的生活。这依赖于无线通信技术尤其是射频(RF)和微波(WM)技术的发展,同时,也为射频电路的仿真和设计提出了更高的要求。通常,人们以0.3 GHz到4~5 GHz(S带)为射频频段,以4~8 GHz(C带)或更高的频段为微波频段,射频电路工作时会出现寄生效应,如电路的杂散电容、杂散电感、趋肤效应和电磁辐射等,其中的元器件只能作为分布式元器件来考虑。射频电路的设计要求低噪声、高增益、高稳定性和输入输出阻抗匹配,设计时不仅要考虑射频分立元器件或集成电路的选取,考虑射频电路整体性能的协调,考虑高速印制电路板(PCB)的设计,还要依赖于设计者的个人经验,依赖于用计算机射频仿真工具进行仿真和实际仪器测量和验证。
    对于RF电路的设计而言,计算机电子设计自动化(EDA)工具是必不可少的。由于RF元器件的仿真模型设计比较困难,RF电路的计算机仿真还不太精准,所以,选取一款优秀的RF电路仿真工具对于RF电路的设计是十分必要的。目前用的比较多的RF仿真设计工具是Agilent公司的ADS,ADS虽然功能强大,但因操作复杂初学者不易掌握。研究发现NI公司的Multisim射频仿真功能也十分强大,Multisim是最常用的综合性电路仿真工具,从早期的EWB5.0到Muhisim 11,能够仿真的电路类型越来越多。Muhisim支持电路编辑,虚拟仪器测量,操作简单方便,在教学、实验和研发中具有不可替代的作用。Multisim的RF电路仿真模块包含100多个RF元器件,利用Spice语言描述RF元器件特性,并且支持自定义RF Spice模型。RF虚拟仪器有频谱分析仪和网络分析仪,可以对RF双端口电路进行仿真分析和设计。网络分析仪可以测量双端口网络的各种特性参数,支持Smith圆图测量S参数和Z参数,可以自动进行阻抗匹配网络设计。下面以分立元件RF前端低噪声放大器(LNA)的仿真和设计为例,使用Multisim 10中的网络分析仪,以Smith圆图为辅助工具,探讨RF电路的仿真和设计方法。

1 理论分析和RF LNA电路的建立
    RF LNA属于典型的双端口网络,需要用网络分析仪进行测量,Multisim中的虚拟网络分析仪是效仿现实网络分析仪HP8751A的一种虚拟仪表,功能十分全面,可以测量RF双端口电路的S参数、H参数、Y参数、Z参数和稳定因子,可以测量电路的功率增益、电压增益和输入输出阻抗,可以进行阻抗匹配网络分析,支持多种图表显示格式。在仿真测量中以Smith圆图为辅助分析设计工具,可以在Smith圆图中显示电路的S参数、Z参数和稳定性圆图。设电路的归一化输入阻抗为z,反射系数为Γ,z和Γ都是复数,z=r+jx,Γ=Γr+jΓi,经过变换可以得到两组圆的方程,这就是Smith阻抗圆图。如果在Smith圆图中测出电路的S参数,则可以计算出RF电路的增益、驻波比SWR、输入输出端反射系数、输入输出端回波损耗等,也可由网络分析仪很方便的测量有关参数。


    对于RF LNA电路的设计,要求低噪声、高增益和高稳定性,噪声干扰主要是指热噪声和散弹噪声,可以通过选取合适的RF元器件解决,高增益主要由多级电路解决。本电路选取低噪声RF晶体管MRF947为核心信号放大元器件,单级共射放大器结构,信号源中心频率为1 GHz,阻抗为50 Ω,负载阻抗为50Ω,要求电路有一定的增益和稳定性,经计算得到其中的偏置电阻网络,选用实际电阻R2=261 kΩ,R3=2.1 kΩ,使放大电路有合适的静态工作点。在Muhisim 10中创建以上电路,接入网络分析仪,如图1所示。

2 RF LNA电路的仿真过程
    在Muhisim 10中连接好以上电路,网络分析仪P1接电路输入端,P2接电路输出端,按下Run按钮运行仿真,运行一段时间后可以再次按下Run按钮停止仿真。当进行仿真时,网络分析仪以一种特定的激励信号作用于被测电路的输入输出端,接收电路的响应信号并进行仿真运算。其中包含两次交流分析过程,第1次交流分析用来测量输入端的参数S11、S21,第2次交流分析用来测量输出端的参数S22、S12,S参数确定后进行运算得到其他参数,如功率增益、电压增益、输入输出阻抗等均可由S参数运算得出。在网络分析仪中可以查看各种仿真数据,并可以将这些数据用于进一步的仿真分析。
    仿真完成后,双击网络分析仪图标,打开网络分析仪面板,可以看到各种参数随信号频率的变化曲线,在面板上面显示各种参数数值,频率扫描范围为1 MHz~10 GHz,拖动下面的频率调整滑块到1 GHz,可以测量这个频率点的各种参数数值。在面板右侧Mode区域按下Measur ement(检测模式)按钮,测量电路的S参数、H参数、Y参数、Z参数和稳定因子,可以设置不同的图形显示方式,可以设置不同的数值显示方式,单击Auto Scale按钮,可以自动调整刻度。通过仿真得到本电路Smith圆图S参数曲线和稳定因子曲线,1 GHz频率点的稳定因子δ=0.099(δ<1),K=6.823(K>1),说明电路在此频率点无条件稳定,Smith圆图S参数曲线如图2所示。


    在面板右侧Mode区域按下RF Characterizer(射频特性分析模式)按钮,可以测量电路的Power Gains(功率增益)、Gains(电压增益)和Impendence(输入输出阻抗)。经仿真测试,本电路1 GHz频率点的一般功率增益PG=4.513 dB,可用功率增益APG=3.864 dB,传感器功率增益TPG=3.718 dB,电压增益V.G.=7.508 dB/114.552 Deg,输入阻抗Zin=23.347/-21.461 Deg,输出阻抗Zout=38.676/-14.746 Deg。其中功率增益曲线如图3所示。


    在RF LNA电路的设计中,要求信号源阻抗为50 Ω,电路负载阻抗为50 Ω,电路增益为十几分贝,从上面的仿真结果分析,电路增益不能满足要求,为了提高增益,可以采用多级放大电路,但是对于上面的单级放大电路来讲,由于电路的输入阻抗和信号源阻抗不匹配,输出阻抗和负载阻抗不匹配,导致射频电路不能传递最大功率增益,为此,需要改进电路结构,在输入输出端加入阻抗匹配网络,以使单级放大电路获得较高的增益,Muhisim射频仿真中有专门的设计阻抗匹配网络的功能。

3 输入输出阻抗匹配网络的设计和后仿真
    仿真停止后,在面板右侧Mode区域按下Match Net.Designer(匹配网络分析模式)按钮,即可以进行阻抗匹配网络设计。单击Stability Circles标签,把频率调到1 GHz,可以查看输入输出稳定性Smith圆图,分析电路的稳定性,其中Stability项显示Unconditionally Stabl e,说明电路无条件稳定。在电路稳定的基础上进一步设计阻抗匹配网络,单击Impedance Matching标签,可以在图上选择不同的匹配电路结构,本电路选择电感电容网络,在右下角选中Auto.Match,即可以自动计算出匹配元件的大小,如图4所示。


    在原电路输入输出端加入图4中设计出来的阻抗匹配网络,其中的元件用数值最接近的实际元件代替,得到完整的单级RF LNA电路,如图5所示。


    对上面设计完成的RF LNA电路重新进行射频特性仿真测试,电路1 GHz频率点的一般功率增益PG=7.122 dB,可用功率增益APG=6.88 dB,传感器功率增益TPG=5.843 dB,电压增益V.G.=11.876 dB/26.095 Deg,仿真结果表明,加入阻抗匹配网络后,RF电路的增益有所提高,其中一般功率增益由4.513 dB增加到7.122 dB,基本能满足单级RF LNA的射频信号放大需求,其中功率增益仿真结果如图6所示。



4 结论
    通过RF LNA的仿真设计实践证明,Multisim射频仿真的精确程度很高。射频通信电路中前端小信号放大器的设计是整个电路设计的关键,电路设计难度很大。由于信号频率很高并且需要综合考虑电路的各种性能指标,往往要进行反复调整测试,Multisim能充分适应这一需求。随着通信市场PDT需求的增加,射频通信设备日益追求智能化、体积小、多功能和高运算速度,射频电路设计朝着CMOS射频集成电路方向发展,并且有整个电路模块集成化的趋势,这也是目前人们研究的热点。在射频电路的设计中,选用合适的EDA工具是十分重要的,这可以极大地节省实验成本,缩短电子产品的研发周期,提高企业的效益和促进电子技术发展。在射频电路的教学和创新型实验中,选用合适的EDA工具同样重要,Multisim RF模块作为射频电路的仿真和设计工具,能够完全胜任教学、实验和研发工作。

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