2～4 GHz波段低噪声放大器的仿真设计

摘要：利用pHEMT工艺设计了一个2～4 GHz宽带微波单片低噪声放大器电路。本设计中采用了具有低噪声、较高关联增益、pHEMT技术设计的ATF-54143晶体管，电路采用二级级联放大的结构形式，利用微带电路实现输入输出和级间匹配，通过ADS软件提供的功能模块和优化环境对电路增益、噪声系数、驻波比、稳定系数等特性进行了研究设计，最终使得该LNA在2～4 GHz波段内增益大于20 dB，噪声小于1．2 dB，输出电压驻波比小于2，达到了设计指标的要求。
关键词：低噪声放大器；负反馈网络；pHEMT；ADS仿真

    微波低噪声放大器作为现代电子通信系统中重要组成器件，对整个通信接收系统的接收灵敏度和噪声性能起着决定性作用。随着半导体技术和宽带无线通信系统的发展，低噪声放大器向着更低噪声系数、更宽工作带宽和更高输出功率方向发展，并逐渐成为设计的热点。因此，研究设计出高性能的低噪声放大器具有十分重要的意义。由于高电子迁移率晶体管具有高频率、低噪声、大功率等一系列优点，所以用pHEMT制作的多级低噪声放大器已广泛应用于卫星接收系统、电子系统及雷达系统。

1 器件选择
   本文选择标准元器件库中pHEMT晶体管、电阻、电容和微带线等无源元件作为设计的参数模型进行电路设计。由于电路增益要求大于20 dB，单级pHEMT功率增益在10 dB左右，考虑到工作频率很高，如匹配不当会造成级间损耗比较严重，所以采用二级放大。由于宽带设计，所以重点对这一频段的电路结构和参数进行设计和优化。
    宽带放大器的实现方案有多种，如反馈式、分布式、有耗匹配式、平衡式以及近年来出现的级联分布式(CSSDA)宽带放大器等。各种方案有不同的优缺点及其应用场合，因为反触同时获得较宽工作带宽和较好的输入输出驻波比，所以馈式宽带放大器应用较多。但是对于低噪声放大器的设计而言，阻性反馈网络的引入会使噪声系数恶化。由于级联系统的噪声系数主要由第一级放大链路决定，后级的噪声系数对系统的噪声性能影响相对较小。考虑到低噪声的设计，设计的两级级联放大器中第一级按照最小噪声系数的原则进行设计，实现拓展低噪声放大器的工作频带；第二级中引入漏极到栅极的负反馈网络，从而使得在整个工作频段内增益较平坦。
   
    式(2)是二端口放大器的噪声系数的表达式，其中Ys=Gs+jBs表示呈现在晶体管处的源导纳，Yopt表示得出最小噪声系数的最佳源导纳，NFmin表示当YS=Yopt时获得的晶体管的最小噪声系数，RN表示晶体管的等效噪声电阻，Gs表示源导纳的实部。由式(2)可知，若选择具有较小的RN值的晶体管，在Ys≠Yopt的条件下，电路整体能够获得相对较小的噪声系数。ATF-54143在VDS=3 V，IDS=40 mA的偏置状态下，其在2～4 GHz的频率范围内，可获得较低的噪声系数和输入驻波比。
    另外考虑到本设计放大器的增益指标要求达到20 dB，所以电路要采用两级放大器来实现。

2 直流偏置以及电路设计
    放大器的直流偏置网络决定了晶体管的工作状态，而且对匹配电路的结构有很大影响，需要在电路设计之初就认真考虑。对pHEMT放大器，一种比较常见的偏置方法是：给pHEMT漏级加一个正电压，即采取单电源供电方式。本文采用的是图1所示自偏置结构，栅极通过微带线接地，源极接电阻R以获得高于栅极的电位。该结构的优点是采用单电源供电，使电路在使用中更为简便。电路要求电源电压为3．6 V，通过适当选择源极电阻R，令源极电位为0．6 V左右。

    根据噪声理论，放大器的噪声系数主要由第一级放大器的噪声系数决定，设计第一级放大器的输入匹配网络通常采用最小噪声系数原则。在设计在级间匹配网络时，要使前级输入阻抗与后级输出阻抗匹配，同时后级晶体管获得较大的增益和较低的噪声系数。综合考虑为了获得较好匹配，通常采用多节微带线匹配。输出匹配电路设计主要考虑增益和驻波比，把微波管复数输出阻抗匹配到负载实数阻抗。优化设计根据此理论，可以实现很小的噪声系数同时兼顾增益。
    为了适当改善放大器增益平坦度，在晶体管栅源之间采用负反馈网络，一般负反馈网络为栅源之间的电感、电阻、电容串联网络。其中反馈电感的作用是对低频率段信号进行负反馈而对较高频率段信号影响较小，通过在反馈支路中串接电感，高频时反馈支路阻抗增大，反馈量减少，低频时反馈支路阻抗小，反馈量较大。这样可以拓宽频带和改善增益平坦度。负反馈网络电路图如图2所示。

3 整体电路以及仿真结果
    整体电路的优化仍然采用ADS微波设计软件进行。在对电路进行仿真时，应选取厂家提供的模型，这样才能获碍和实际电路最接近的仿真结果。整体电路优化后的增益如图3所示。电路LAN的增益达到20．5 dB。噪声系数如图4所示，在2～4 GHz频段噪声系数小于1．1 dB。噪声系数在高频段恶化的主要原因在于器件寄生的噪声性能会随着频率升高而逐渐恶化。因此，在电路设计时，需要在各方面与噪声进行折中，取得最优结果。输出驻波比如图5所示，输出驻波比为1．8，很好地满足了设计要求。

4 结论
    通过分析，得到了适用于低噪声放大器的pHEMT选择的基本原则。电路采用二级级联结构，利用微带电路实现匹配，并运用EDA软件对电路进行优化。最后仿真结果显示，该电路在2～4 GHz频段内，可达到20 dB以上增益；噪声系数小于1．2 dB。该电路满足接收前端对LNA提出的要求，具有广阔应用前景。