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[导读]摘 要:主要介绍了宽带低噪声放大器的设计理论及用安捷伦公司的ADS仿真软件进行 Ku波段(10.8~12.7 GHz)放大器的设计和仿真。在设计的过程中选择了Hittite Microwave公司的HMC564LC4芯片和安华高的AMMP-6408芯片,其噪声系数更低,增益和工作频率更高。使用微带线进行电路匹配,最终仿真结果:增益平坦度小于1 dB,增益大于30 dB,噪声系数小于2 dB。

引言

现代各种雷达新技术的不断发展,人们对其性能及参数 的要求也更加的严格,现在低噪声放大器同样已在雷达系统[1] 中得到更广泛的应用,而且是其中必不可少的电路。低噪声放 大器主要使用在雷达接收系统的前端,从而实现放大接受自 天线的微弱信号的功能。线性低噪放不仅被应用于雷达系统, 还在通信、电子对抗和无线遥控的接收设备之中,射频前端 的放大器需要具有良好的增益平坦度,较低的噪声系数和回 波损耗,而对于宽带的微波放大器,增益平坦度就成为一个 很严重的问题,所以设计出性能良好的线性低噪放对市场有 重要意义。论文采用Agilent公司的ADS软件设计该放大器, ADS可以进行各种射频电路的仿真和优化。

1理论分析

当单级放大器不能够达到设计的增益数值,就需要采取多 级电路进行设计。因此除了常规的输入端和输出端的匹配网络, 还需精心设计级间的匹配电路。由于是宽带低噪放,所以一方 面进行电路匹配,另一方面要考虑放大器的增益平坦度。对于 多级放大器,在加大增益的同时,噪声系数会剧烈增大,同时 也使得其他的指标变差。两级放大器的3阶截点IPtot将变成

式中 :IP1 ,IP2 分别为第一级、第二级 LNA 的 3 阶截点 ;G2 为第二级 LNA 的增益。

2 Ku 波段线性低噪声放大器的设计

2.1 放大器的选择和设计

现在的 MMIC 技术不断地成熟以及 GaAs 器件蓬勃发展,微波半导体器件便向着体积小,高可靠性、稳定性进行演化。本设计选用了 Hittite Microware 公司的 HMC564LC4芯片作为放大器的第一级,这种芯片采用晶片级封装技术 [3],尺寸很小,在漏极电压 3 V 电流 51 mA 的条件下,信号增益为 17 dB,噪声系数为 1.5 dB,OIP3 为 25 dBm,输入和输出端采用了部分内匹配电路,简化了系统设计。放大器第二级采用 Avago 公司的 AMMP-6408 芯片,在 10.8 ~ 12.7 GHz 内增益在 17 ~ 20 dB 之间,噪声系数为 3.5 dB,OIP3 为 38 dBm。

2.2 设计指标要求

频率范围 10.8 ~ 12.7 GHz ;增益> 30 dB ;增益平坦度 <△ 1 dB ;噪声系数< 2 dB ;S11,S22 <-14 dB 。

2.3 放大器的设计与仿真

2.3.1 偏置电路设计

HMC564LC45 的 Vdd1,Vdd2 均为 3.5 V。这两款芯片的偏置电路设计如图 1 ~图 2 所示。

2.3.2 匹配网路设计

由于需要低噪声的放大器作为第一级,因此芯片选用HMC564LC4,它的噪声系数为 1.8 dB。第二级选用 AMMP-6408,它的增益达到 17 dB 以上,用以取得较高的增益。

2.3.3 匹配网路的计算机仿真

放大器具有最佳的信号源阻抗,按照此阻抗值进行匹配时,放大器的噪声系数达到最低值,因此放大器在输入端的匹配电路需要按照该信号源阻抗值来匹配。而如果需要提高放大器的功率增益值,较低的放大器输出驻波比,输出端则应该进行共扼匹配。当电路输入端匹配实现噪声最优时,放大器的输入阻抗和信号源阻抗一般情况下是失配的,因而此时的发布放大器放大倍数没有达到最优值。在设计放大器时应该在得到较好的噪声系数的前提下增大增益值。

在设计的时候非常关键的是选择合适的拓扑结构作为匹 配网络,这里输入端釆用双枝短截线匹配,微带线的两个短 截线开路,可以通过调节短截线的长度达到匹配的目的。输出 端釆用单枝短截线的拓扑结构。

匹配电路设计完成后,再利用软件进行进一步的优化设 计。先釆用Random方式优化,然后使用Gradient优化。经过反复的优化后,在根据具体的参数手动调节匹配网络, 以达到指标要求。选取的射频介质基板的参数为:介电常数 £「二2.65,基板厚度H=0.5 mm,Tan D=0.003。图 3 是经过匹 配后的原理图。

图 4 ~图 7 是仿真结果。

2.3.4放大器的版图设计

仿真达到设计要求后,使用AD画出低噪放版图,最终的 电路板尺寸大小为55 mm*33 mm,版图如图8所示。

3结语

从以上仿真的结果可以看出,利用ADS软件强大的仿真 功能[8]使设计放大器非常方便。ADS软件中有很多只做好的 元器件库和原理图模型,方便开发者的设计,减少了设计时间。 利用ADS软件能够进行电路的不断优化,节省了大量的工作 量,也对实际电路的制作提供了较好的指导作用。设计的放大 器工作频段较宽,增益平坦度在1 dB之内,噪声在2 dB以内, 性能良好,对宽带的微波放大器设计有较好的参考价值。

图8版图

20211223_61c454b53dd9b__基于ADS的ku波段线性低噪声放大器的设计

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