基于ADS的通信设备低噪声放大器改进设计与仿真

通信设备接收机内部噪声过大将直接影响信号接收。而降低通信设备接收机系统噪声系数最有效方法就是改进接收机前端。低噪声放大器有效提供接收机的接收灵敏度，从而提高通信设备的传输距离。因此设计良好的低噪声放大器能极大提高整个通信系统的通信质量。

目前低噪声放大器设计通常采用CAD、EESOF、MW0ffice和(Advanced Design System)等方式。ADS是Agilent公司开发的一种功能强大的射频电路设计和仿真工具软件，对小信号特征进行的S参数仿真非常适用于低噪声放大器的仿真设计。

1 噪声系数与接收机灵敏度的关系

噪声系数是指信号通过放大器之后，由于放大器产生噪声使信噪比变坏，而信噪比下降的倍数就是噪声系数。其定义为：

式中，n为放大器输出端确定的信噪比。

而接收机灵敏度是维持接收机正常工作时。输入端所必需的最小信号功率(或电压)。在理想条件下，接收机内部噪声所决定的灵敏度作为衡量接收机质量的标准，则称为最高灵敏度。

设天线的输入信号为Es，则为源内阻的热噪声，即Pni=4kTRs△fn，于是式(1)可写为：

式中，Rs是天线等效电阻，△fn是接收机通频带宽度，k是波尔兹曼常数(1．38×10-23J／K)，T为室温17℃(290 K)。

从式(3)可看出，若给定接收机的输入电阻、全机同频带宽以及接收机的输出信噪比，其接收机灵敏度可直接由噪声系数决定。

2 低噪声放大器的主要技术指标

低噪声放大器的主要指标包括：噪声系数(NF)、功率增益、稳定性、动态范嗣、输入输出驻波比和反射系数等，其中对整个系统影响最大的指标是噪声系数和放大增益。

2．1 噪声系数

噪声系数通常用分贝表示：

式中，Fmin为晶体管最小噪声系数，由放大器本身决定，rn是晶体管等效噪声电阻，是晶体管输入端的源反射系数，是获得最佳Fmin时的最佳源反射系数。

在某些噪声系数要求极高的系统中，由于噪声系数很小，用噪声系数表示不方便，通常采用噪声温度表示，则噪声温度Te与噪声系数NF的换算关系：

式中，T0为环境温度，通常为290 K。

2．2 功率增益

对于实际的低噪声放大器，功率增益通常是指信源和负载都是50 Ω标准阻抗情况下实测的增益。即先测出没有放大器时输出的功率P1，连接有加入放大器后再测量输出的功率P2，则功率增益G=P2／P1。

噪声最佳匹配情况下的增益称为相关增益。噪声最佳匹配点并非最大增益点，一般相关增益比最大增益低2～4 dB。低噪声放大器的增益应适中，增益太大导致下级混频器输入过大而失真；增益太小不利于抑制后续各级放大器噪声。

当增益G1和G2足够大时，整机的噪声系数接近第一级的噪声系数。因此系统前端的低噪声放大器对整个系统的噪声系数大小起决定作用。

2．3 稳定性

低噪声放大器能够正常工作必须满足的首要条件之一是其在工作频段内的稳定性，否则会产生自激振荡。稳定性取决于晶体管的S参数和输入输出网络的反射系数。当晶体管确定工作频率和偏置，也就是晶体管的S参数成为定值后，只要满足式(8)～式(9)，则晶体管绝对稳定。如果不满足绝对稳定状态，通过增加稳定电路设计使晶体管工作在稳定状态。

2．4 动态范围

动态范围是指低噪声放大器输入信号允许的最小和最大功率的范围。动态范围的上限由最大可接收的信号失真决定，动态范围的下限取决于噪声性能。为了避免大信号输入时产生非线性失真，一般应选择低噪声放大器的输入三阶交调点IIP3较高一点，至少比最大输入信号高30 dB。

2．5 输入输出驻波比

低噪声放大器的输入输出驻波比表征其端口回路的匹配情况。一般低噪声放大器的输入匹配电路是按照最小噪声设计的，即接近最佳噪声匹配而不是最佳功率匹配，而输出端匹配网络一般是为获得最大功率和最低驻波比设计的。所以，低噪声放大器的输入端总是存在某种不匹配。为了减小放大器输入端不匹配所引起的端口反射，可插入损耗很小的隔离器方法解决。

　3 低噪声放大器的仿真设计

3．1 通信设备原低噪声放大器晶体管

受扰通信设备前端低噪声放大器是采用俄制晶体管2T919B，其工作频率范围为l～2 GHz，增益约10 dB。噪声系数大于2．3 dB。

3．2 改进设计时低噪声放大器晶体管

通信设备采用PHEMT场效应品体管的低噪声放大器在800 MHz频段噪声系数可达0．4 dB，增益约17 dB：l 900 MHz频段噪声系数可达0．6 dB，增益约15 dB。经比较，本设计用Agilent公司的AT-41533低噪声晶体管实现低噪声放大器。所设计低噪声放大器的主要指标为：工作频带1．2～1．4 GHz(载波频率l．3 GHz)；增益大于13 dB；噪声系数小于1．5 dB；无条件稳定。

3．3 晶体管直流工作点的扫描

在低噪声放大器设计之前，首先确定静态工作点和偏置电路，即对品体管进行直流工作点的扫描，实际就是直流仿真过程，图l是利用ADS软件的 Template-BJT_curve_tracer进行直流工作点扫描的电路原理图。图2为直流工作点扫描曲线。

由图2可读出，VCE=3 V，IC.i=O．013 mA。需要注意的是，实际器件参数和ADS器件库中的模型参数可能会有一定差异，工程实践时需按要求做出相应调整。

3．4 稳定性分析

对晶体管AT-41533进行S参数扫描，在原理图中加入2个稳定性测量控件，分别是K：K=stab_fact(S)B：B=stab_fact(S) 函数返回Rollett稳定因数；B：B=stab_meas(S)，stab_meas(S)函数返回稳定量。图3为稳定性分析的电路设计图。表l列出工作频带附近的K、B值。

在1．2～l．4 GHz的频带范嗣内，K、B值均大于l，由式(7)、式(8)得出在此工作频带内系统，无条件稳定，无需另外设计稳定电路。

3．5 匹配电路设计

3．5．1 输入匹配电路的设计

本设计的低噪声放大器置于接收机前端，由式(3)可知，当晶体管输入端的源反射系数（Sopt）=时，可获得最小的噪声系数F=Fmin。

通过对晶体管AT-41533进行SP模型扫描，中心频率1．3 GHz时，值是-0．241+j0．191：使用Smith圆图工具，将输入反射系数S(1，1)设置为共轭，用于最小噪声系数输入阻抗的匹配。图4为输入匹配的电路设计，图5为输入匹配后阻抗圆图。

3．5．2输出匹配电路

输出网络匹配是由微带线实现的，采用RF4基板，具体参数为：基板厚度0．8 mm；相对介电常数Er为4．3；磁导率Mur为1；金属电导率为5．88E+7；金属层厚度为0．03mm。通过ADS自带的微带线计算工具计算出微带线宽度1．588 mm，选择控件MLIN、MTEE、MLEF插入到输出端。设置2个优化GOAL，其对象分别是S(1，1)和S(2，2)，有一点需要注意的是，进行优化后输入匹配Smith圆图的参数也会有稍微的改变。由图8看出，输入输出匹配后，输入端和输出端的反射系数均小于-15 dB；由图9和图10看出。所设计滤波器增益@14．6 dB，噪声系数@1．39 dB。

4 结论

该系统设计的最终仿真结果：增益为14．6 dB；噪声系数为1．39 dB，其结果均符合预期设计指标。

若假定条件不变，原设备接收机的最高灵敏度是2μV，那么改进低噪声放大器设计后接收机的灵敏度提高到1．2μV左右。但该结论是仅考虑第一级放大器噪声，如果考虑到后级噪声的影响，灵敏度的提高会稍微降低。

通过ADS软件对某通信设备接收机前端低噪声放大器进行仿真设计，仿真选取的电路模型比较简单，实际电路往往会比仿真模型更复杂，但即便对于复杂电路，只要设置好参数模型仍然能够进行正确的仿真设计。

另外，在实际设计低噪声放大器过程中需实际测试各项指标，并将测试结果反馈到仿真设计中，重新修订仿真参数，如此循环不断优化出理想的低噪声放大器。因此，噪声系数的降低可有效提高接收机系统的灵敏度，提高通信设备的作用距离。

发布者：小宇