基于ADS的ku波段線性低噪聲放大器的設(shè)計(jì)

引言

現(xiàn)代各種雷達(dá)新技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)其性能及參數(shù) 的要求也更加的嚴(yán)格，現(xiàn)在低噪聲放大器同樣已在雷達(dá)系統(tǒng)［1］ 中得到更廣泛的應(yīng)用，而且是其中必不可少的電路。低噪聲放 大器主要使用在雷達(dá)接收系統(tǒng)的前端，從而實(shí)現(xiàn)放大接受自 天線的微弱信號(hào)的功能。線性低噪放不僅被應(yīng)用于雷達(dá)系統(tǒng), 還在通信、電子對(duì)抗和無線遙控的接收設(shè)備之中，射頻前端 的放大器需要具有良好的增益平坦度，較低的噪聲系數(shù)和回 波損耗，而對(duì)于寬帶的微波放大器，增益平坦度就成為一個(gè) 很嚴(yán)重的問題，所以設(shè)計(jì)出性能良好的線性低噪放對(duì)市場(chǎng)有 重要意義。論文采用Agilent公司的ADS軟件設(shè)計(jì)該放大器, ADS可以進(jìn)行各種射頻電路的仿真和優(yōu)化。

1理論分析

當(dāng)單級(jí)放大器不能夠達(dá)到設(shè)計(jì)的增益數(shù)值，就需要采取多 級(jí)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。因此除了常規(guī)的輸入端和輸出端的匹配網(wǎng)絡(luò), 還需精心設(shè)計(jì)級(jí)間的匹配電路。由于是寬帶低噪放，所以一方 面進(jìn)行電路匹配，另一方面要考慮放大器的增益平坦度。對(duì)于 多級(jí)放大器，在加大增益的同時(shí)，噪聲系數(shù)會(huì)劇烈增大，同時(shí) 也使得其他的指標(biāo)變差。兩級(jí)放大器的3階截點(diǎn)IPtot將變成

式中 ：IP1 ，IP2 分別為第一級(jí)、第二級(jí) LNA 的 3 階截點(diǎn) ；G2 為第二級(jí) LNA 的增益。

2 Ku 波段線性低噪聲放大器的設(shè)計(jì)

2.1 放大器的選擇和設(shè)計(jì)

現(xiàn)在的 MMIC 技術(shù)不斷地成熟以及 GaAs 器件蓬勃發(fā)展，微波半導(dǎo)體器件便向著體積小，高可靠性、穩(wěn)定性進(jìn)行演化。本設(shè)計(jì)選用了 Hittite Microware 公司的 HMC564LC4芯片作為放大器的第一級(jí)，這種芯片采用晶片級(jí)封裝技術(shù) [3]，尺寸很小，在漏極電壓 3 V 電流 51 mA 的條件下，信號(hào)增益為 17 dB，噪聲系數(shù)為 1.5 dB，OIP3 為 25 dBm，輸入和輸出端采用了部分內(nèi)匹配電路，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。放大器第二級(jí)采用 Avago 公司的 AMMP-6408 芯片，在 10.8 ～ 12.7 GHz 內(nèi)增益在 17 ～ 20 dB 之間，噪聲系數(shù)為 3.5 dB，OIP3 為 38 dBm。

2.2 設(shè)計(jì)指標(biāo)要求

頻率范圍 10.8 ～ 12.7 GHz ；增益＞ 30 dB ；增益平坦度 ＜△ 1 dB ；噪聲系數(shù)＜ 2 dB ；S11，S22 ＜－14 dB 。

2.3 放大器的設(shè)計(jì)與仿真

2.3.1 偏置電路設(shè)計(jì)

HMC564LC45 的 Vdd1，Vdd2 均為 3.5 V。這兩款芯片的偏置電路設(shè)計(jì)如圖 1 ～圖 2 所示。

2.3.2 匹配網(wǎng)路設(shè)計(jì)

由于需要低噪聲的放大器作為第一級(jí)，因此芯片選用HMC564LC4，它的噪聲系數(shù)為 1.8 dB。第二級(jí)選用 AMMP-6408，它的增益達(dá)到 17 dB 以上，用以取得較高的增益。

2.3.3 匹配網(wǎng)路的計(jì)算機(jī)仿真

放大器具有最佳的信號(hào)源阻抗，按照此阻抗值進(jìn)行匹配時(shí)，放大器的噪聲系數(shù)達(dá)到最低值，因此放大器在輸入端的匹配電路需要按照該信號(hào)源阻抗值來匹配。而如果需要提高放大器的功率增益值，較低的放大器輸出駐波比，輸出端則應(yīng)該進(jìn)行共扼匹配。當(dāng)電路輸入端匹配實(shí)現(xiàn)噪聲最優(yōu)時(shí)，放大器的輸入阻抗和信號(hào)源阻抗一般情況下是失配的，因而此時(shí)的發(fā)布放大器放大倍數(shù)沒有達(dá)到最優(yōu)值。在設(shè)計(jì)放大器時(shí)應(yīng)該在得到較好的噪聲系數(shù)的前提下增大增益值。

在設(shè)計(jì)的時(shí)候非常關(guān)鍵的是選擇合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作為匹 配網(wǎng)絡(luò)，這里輸入端釆用雙枝短截線匹配，微帶線的兩個(gè)短 截線開路，可以通過調(diào)節(jié)短截線的長(zhǎng)度達(dá)到匹配的目的。輸出 端釆用單枝短截線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

匹配電路設(shè)計(jì)完成后，再利用軟件進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè) 計(jì)。先釆用Random方式優(yōu)化，然后使用Gradient優(yōu)化。經(jīng)過反復(fù)的優(yōu)化后，在根據(jù)具體的參數(shù)手動(dòng)調(diào)節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)， 以達(dá)到指標(biāo)要求。選取的射頻介質(zhì)基板的參數(shù)為：介電常數(shù) ￡「二2.65,基板厚度H=0.5 mm，Tan D=0.003。圖 3 是經(jīng)過匹 配后的原理圖。

圖 4 ～圖 7 是仿真結(jié)果。

2.3.4放大器的版圖設(shè)計(jì)

仿真達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，使用AD畫出低噪放版圖，最終的 電路板尺寸大小為55 mm*33 mm,版圖如圖8所示。

3結(jié)語

從以上仿真的結(jié)果可以看出，利用ADS軟件強(qiáng)大的仿真 功能[8]使設(shè)計(jì)放大器非常方便。ADS軟件中有很多只做好的 元器件庫和原理圖模型，方便開發(fā)者的設(shè)計(jì)，減少了設(shè)計(jì)時(shí)間。 利用ADS軟件能夠進(jìn)行電路的不斷優(yōu)化，節(jié)省了大量的工作 量，也對(duì)實(shí)際電路的制作提供了較好的指導(dǎo)作用。設(shè)計(jì)的放大 器工作頻段較寬，增益平坦度在1 dB之內(nèi)，噪聲在2 dB以內(nèi)， 性能良好，對(duì)寬帶的微波放大器設(shè)計(jì)有較好的參考價(jià)值。

圖8版圖

20211223_61c454b53dd9b__基于ADS的ku波段線性低噪聲放大器的設(shè)計(jì)