作增益大于10dB以上当输入信号...

摘要随着通讯工业的飞速发展人们对各种无线通讯工具的要求也越来越高功率辐射小作用距离远覆盖范围大已成为各运营商乃至无线通讯设备制造商的普遍追求这就对系统的接收灵敏度提出了更高的要求这就对处于接收机最前端的低噪声放大器提出更高的要求低噪声合适的增益工作频段内的稳定性
本文详细介绍用ADS设计微波低噪声小信号放大器放大器增强型伪高电子迁移率晶体管 E-pHEMT 频率范围在本文Abstract With the rapid development of communications industries there is a variety of wireless communication tools have become more sophisticated requirements small power radiation the role of distance large-scale coveragehas become the largest operator of wireless communications equipment as well as manufacturers the general pursuit of this sensitivity of the system to receive a higher demand which on most front-end receiver in the low-noise amplifier to higher requirements low-noise the appropriate gain the stability of working frequency band
This paper describes the use of ADS software design of microwave low-noise small-signal amplifier Selection of Agilent Technologies s ATF-54143 amplifier transistor E-pHEMT Work in which frequency range 2010MHz 2025MHz This article first analyzes the general low-noise amplifier of the basic structure and requirements of indicators and design principles Re-ATF54143 transistors based on the preliminary design of
matching networks bias circuits and methods to resolve the instability Finally ADS software simulation through good circuit design optimization and a good PCB circuit diagram drawn to complete the circuit design and circuit debug and test the actual circuit Various test results show that low-noise amplifier performance Key words low-noise amplifier ATF54143 ADS simulation SMITH Chart impedance matching RF microwave 第一章绪论 4
11 低噪声放大器 4
111 概念 4
112 主要功能5
113 主要应用领域 5
12 低噪声放大器的研究现状 5
13 本文的主要研究成果和内容安排7
第二章低噪声放大器的分析与研究8
21 低噪声放大器的基本结构8
22 低噪声放大器的基本指标8
221 噪声系数9
222 增益 9
223 输入输出驻波比10
223 反射系数10
224 放大器的动态范围IIP3 10
23 低噪声放大器设计设计的基本原则11
231 低噪声放大管的选择原则11
232 输入输出匹配电路的设计原则11
第三章低噪声放大器的设计14
31 放大器设计的主要流程14
32 低噪声放大管的选择14
33 稳定性计算16
34 输入输出匹配电路电路设计17
35 偏置电路18
36 电路中需要注意的一些问题18
第四章 ADS软件仿真设计及电路的最终实现20
41 ADS软件介绍20
42 ADS仿真设计22
421 S参数仿真22
422 SP模型仿真25
423 封装模型仿真38
43 ADS仿真设计结果分析45
第五章 PCB板设计和最终电路的测试 46
51 PCB板电路图46
511 Protel的介绍46
512 用Protel绘制PCB图46
52 电路焊接和测试结果48
第六章总结与展望51
61 本文总结51
62 不足与进一步的工作51
第七章结束语53
参考文献54
致谢55
附录A 56 第一章绪论
11 低噪声放大器
在无线通信系统中为了提高接受信号的灵敏度一般在接收机前端放置低噪声放大器用来提高增益并降低系统的噪声系数
111 概念
低噪声放大器是噪声系数很低的放大器一般用作各类无线电接收机的高频或中频前置放大器以及高灵敏度电子探测设备的放大电路在放大微弱信号的场合放大器自身的噪声对信号的干扰可能很严重因此希望减小这种噪声以提高输出的信噪比由放大器所引起的信噪比恶化程度通常用噪声系数 F来表示理想放大器的噪声系数 F＝10分贝其物理意义是输出信噪比等于输入信噪比现代的低噪声放大器大多采用晶体管场效应晶体管微波低噪声放大器则采用变容二极管参量放大器常温参放的噪声温度 Te 可低于几十度绝对温度致冷参量放大器可达 20K以下砷化镓场效应晶体管低噪声微波放大器的应用已日益广泛其噪声系数可低于 2 分贝放大器的噪声系数还与晶体管的工作状态以及信源内阻有关在工作频率和信源内阻均给定的情况下噪声系数也和晶体管直流工作点有关为了兼顾低噪声和高增益的要求常采用共发射极一共基极级联的低噪声放大电路
S -174 NF10㏒BWSN
由上式可见在各种特定带宽解调SN已定的无线通讯系统中能有效提高灵敏度的关键因素就是降低接收机的噪声系数NF而决定接收机的噪声系数的关键部件就是处于接收机最前端的低噪声放大器低噪声放大器的主要作用是放大天线从空中接收到的微弱信号降低噪声干扰以供系统解调出所需的信息数据所以低噪声放大器的设计对整个接收机来说是至关重要的
113 主要应用领域
低噪声放大器可以使接收机接受的的微弱信号放大并降低噪声的干扰无失真的将信号放大传给下一级电路是通信系统中重要的前端必备电路因此低噪声放大器广泛应用于微波通信GPS接收机遥感遥控雷达电子对抗及各种高精度测量系统等领域中是现代IC技术发展中必不可少的重要电微波晶体管放大器还在向更高工作频率低噪声宽频带集成化和标准化发展低噪声放大器由输入匹配网络微波晶体管放大器和输出匹配网络组成
NF 2-1
对单级放大器而言其噪声系数的计算为
2-2
其中 Fmin为晶体管最小噪声系数是由放大器的管子本身决定的ΓoptRn 和Γs分别为获得 Fmin时的最佳源反射系数晶体管等效噪声电阻以及晶体管输入端的源反射系数
对多级放大器而言其噪声系数的计算为
NF NF1 NF -1 G1 NF -1 G1G 2-3
其中NFn为第n级放大器的噪声系数Gn 为第n级放大器的增益
在某些噪声系数要求非常高的系统由于噪声系数很小用噪声系数表示很不
方便常常用噪声温度来表示噪声温度与噪声系数的换算关系为
Te T0 NF – 1 2-4
其中Te 为放大器的噪声温度T0 2900 KNF为放大器的噪声系数
NF dB 10LgNF 2-5
222 增益
放大器的增益定义为放大器输出功率与输入功率的比值
G Pout Pin 2-6
从 2-3 的计算公式中可见提高低噪声放大器的增益对降低整机的噪声系数
非常有利但低噪声放大器的增益过高会影响整个接收机的动态范围所以一般来
说低噪声放大器的增益确定应与系统的整机噪声系数接收机动态范围等结合起
来考虑
223 输入输出驻波比
低噪声放大器的输入输出驻波比表征了其输入输出回路的匹配情况我们在
设计低噪声放大器的匹配电路时输入匹配网络一般为获得最小噪声而设计为接
近最佳噪声匹配网络而不是最佳功率匹配网络而输出匹配网络一般是为获得最
大功率和最低驻波比而设计所以低噪声放大器的输入端总是存在某种失配
这种失配在某些情况下会使系统不稳定一般情况下为了减小放大器输入端
失配所引起的端口反射对系统的影响可用插损很小的隔离器等其他措施来解决
输入输出驻波比计算公式
VSWR 2-7
223 反射系数
放射系数是端口输入电压与输出电压的比值表达公式为
2-8
当Γs Γopt 时放大器的噪声系数最小NF NFmin 但此时从功率传输的角度来看输入端是失配的所以放大器的功率增益会降低但有些时候为了获得最小噪声适当的牺牲一些增益也低噪声放大器设计中经常采用的一种办法224 放大器的动态范围IIP3
在低噪声放大器的设计中应充分考虑整个接收机的动态范围以免在接收机后级造成严重的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30dB以免大信号输入时产生非线性失真除以上各项外低噪声放大器的工作频率工作带宽及通带内的增益平坦度等指标也很重要设计时要认真考虑
23 低噪声放大器设计设计的基本原则
231 低噪声放大管的选择原则
对微波电路中应用的低噪声放大管的主要要求是高增益和低噪声以及足够的动态范围目前双极型低噪声管的工作频率可以达到几个千兆噪声系数为几个分贝而砷化镓小信号的场效应管的工作频率更高噪声系数可在1分贝以下我们在选取低噪声放大器管通常可以从以下几个方面进行考虑
1 微波低噪声管的噪声系数足够小工作频段足够高晶体管的fT一般要比工作频率高4倍以上现在PHEMT场效应管的噪声系数在2GHz可在05dB左右工作频率高端可达到6GHz
2微波低噪声管要有足够高的增益和高的动态范围一般要求放大器工
作增益大于10dB以上当输入信号达到系统最大值时由放大器非线性引起的交调产物小于系统本底噪声对于ZXPCS大基站项目由于最大输入信号小于-44dBm 考虑到放大器13dB左右增益我们选取了ATF34143 场效应管它的增益可达15dBOIP3为30dBm左右
232 输入输出匹配电路的设计原则
对于单级晶体管放大器的噪声系数可以将表达式
2-9
化成一个圆的表达式即等噪声系数圆圆上每一点代表一个能产生恒定噪声系数NF的源反射系数如要获得需要的噪声系数只要在圆图上画出对应于这个噪声系数的圆然后将源阻抗匹配到这个圆上的一个点就行了实际设计中由于要兼顾到放大器的增益通常我们不取最小噪声系数在对放大器进行单项化设计时假定S12＝0转移功率增益GT可以由如下公式表示
GT G0G1G2 2-11
其中G0 G1 G2 对于特定的晶体管S11S22是确定的不同的源反射系数Γ1 和负载反射系数Γ2 可以构成恒定增益圆设计时只须将源和负载反射系数分别匹配到相应的圆上便能得到相应的增益将恒定增益圆与等噪声系数圆结合起来设计便能得到比较理想的结果另外设计中还要注意增益平坦设计主要是高端共轭匹配低端校正一般还需在多个中间频率上进行增益规定性校验在高频应用时由于微波晶体管本身的增益一般随着频率的升高而降低为了保证电路在低频率段的增益恒定和稳定性可以考虑在输入输出端采用高通匹配方式在以上的讨论中我们忽略了晶体管的反向传输系数实际中微波场效应晶体管和双极性晶体管都存在内部反馈微波管的S12就表示内部反馈量它是电压
波的反向传输系数S12越大内部反馈越强反馈量达到一定强度时将会引起放大器稳定性变坏甚至产生自激振荡微波管的S21代表电压波的正向传输系数也就是放大倍数S21越大则放大以后的功率越强在同样的反馈系数S12的情况下S21越大当然反馈的功率也越强因此S21也影响放大器的稳定性一个微波管的射频绝对稳定条件是
△ S11S22-S12S21 2-12
K称为稳定性判别系数K大于1是稳定状态只有当式中的三个条件都满足时才能保证放大器是绝对稳定的实际设计时为了保证低噪声放大器稳定工作还要注意使放大器避开潜在不稳定区
为改善微波管自身稳定性有以下几种方式
1串接阻抗负反馈
在MESFET的源极和地之间串接一个阻抗元件从而构成负反馈电路对于双极晶体管则是在发射极经反馈元件接地在实际的微波放大器电路中电路尺寸很小外接阻抗元件难以实现因此反馈元件常用一段微带线来代替它相当于电感性元件的负反馈
2用铁氧体隔离器
铁氧体隔离器应该加在天线与放大器之间假定铁氧体隔离器的正向功率衰减微为反向功率衰减为且 1 1则＝
0为加隔离器前的反射系数为加隔离器后的反射系数
用以改善稳定性的隔离器应该具有的特性是
1 频带必须很宽要能够覆盖低噪声放大器不稳定频率范围
2 反向隔离度并不要求太高
3 正向衰减只需保证工作频带之内有较小衰减以免影响整机噪声系数而工作频带外则没有要求
4 隔离器本身端口驻波比要小
3稳定衰减器
型阻性衰减器是一种简易可行的改善放大器稳定性的措施通常接在低噪声放大器末级输出口有时也可以加在低噪声放大器内的级间由于衰减器是阻型衰减不能加在输入口或前级的级间以免影响噪声系数在不少情况下放大器输出口潜在不稳定区较大在输出端加型阻性衰减器对改善稳定性相当有效第三章低噪声放大器的设计
31 放大器设计的主要流程 32 低噪声放大管的选择
低噪声放大器 LNA 是射频微波电路接收前端的主要部分由于他位于接收机的最前端要求他的噪声越小越好但又要求有一定的增益最小噪声和最大增益一般不能同时满足获取最小噪声和最大功率是矛盾的一般电路设计总是选择折中的方案来达到设计的要求以牺牲一定的增益来获得最小噪声而在射频微波通信电路中需要处理微弱的射频微波信号因此讨论合适的低噪声放大器电路的设计具有非常实际的意义
我们在选取低噪声放大器管通常可以从以下几个方面进行考虑
1 微波低噪声管的噪声系数足够小工作频段足够高晶体管的fT一般要比工作频率高4倍以上现在PHEMT场效应管的噪声系数在2GHz可在05dB左右工作频率高端可达到6GHz
2微波低噪声管要有足够高的增益和高的动态范围一般要求放大器工
作增益大于10dB以上当输入信号达到系统最大值时由放大器非线性引起的交调产物小于系统本底噪声对于ZXPCS大基站项目由于最大输入信号小于-44dBm 考虑到放大器13dB左右增益我们选取了ATF34143 场效应管它的增益可达15dBOIP3为30dBm左右
安捷伦公司的ATF54143是一种增强型伪高电子迁移率晶体管 E-pHEMT 不需要负栅极电压与耗尽型管相比较可以简化排版而且减少零件数该晶体管最显著的特点是低噪声并具有高增益高线性度等特性他特别适用于工作频率范围在450 MHz～6 GHz之间的蜂窝／PCS／wCDMA基站无线本地环路固定无线接入和其他高性能应用中的第一ATF54143是一种增强型伪高电子迁移率晶体管 E-pHEMT 与典型的-pHEMT不同45143并不需要在门级上加负电压偏置而是在门级加正电压偏置因此atf54143的偏置电路更像是双极型晶体管的偏置电路但是与一般的双极型晶体管不同它的偏置电压不是07v而是工作在大约06v △S11S22-S12S21 3-1
查看Data sheet 计算出在f 2017GHz附近时的K值此时管子的S参数如下S11 -0603-j0119
S12 0052j0034
S21 2135j6936
S22 -0075-j0145
K 0812K 1可知该管子在该频率附近不是绝对稳定的由于AFT54143在工作频段内不是绝对稳定的为了提高放大器的稳定性在输出端并联一个100Ω的电阻为确保ATF54143在尽可能宽的频带内保持稳定这里采取源极引入串联感性反馈的方法电感采用一段很细的微带线来代替在源极串联电感后可以增加晶体管
双端口网络输入阻抗的实部而虚部基本保持不变使其逐渐与最佳噪声匹配的阻抗重合另一方面增加一个无源元件不会使晶体管的噪声性能恶化其反馈量对于带内带外的电路增益平稳性和输入输出回波损耗有着巨大的作用在实际电路源端电感要做适量的调节放大器PCB板的设计考虑到源端的电感量是变化的当每个源端与微带相连时沿着微带线的任何一点都可以连接到地端要得到最低的电感值只需在距元件源端最近的点上将源端焊盘与地端相连并只有非常短的一段蚀刻放大器的每一段源端蚀刻与相应的地端相连的长度大约有0．05英寸是从源端边缘与其最近的第一个地过孔边缘间测得剩余并末使用的源端蚀刻可切断除去通常过大的源极电感量值所带来的边缘效应表现为超高频端的增益值出现峰化及整体的合成振荡为避免这种情况在初始LNA的设计原型阶段尽量准确地确定源端电感的量值并且仿真中也要调节源端电感量的大小找出最优值优化LNA性能射频输入端匹配在低噪声放大器设计中通常都起着关键性的作用其不仅仅被用于获得低的噪声系数同时它还可以用于获得更高的IIP3更高的增益以及输入回波损耗另外由于在某些收发信机系统中在低噪声放大器前面通常会有一个滤波器差的低噪声放大器输入回波损耗会恶化滤波器的性能从而影响整个系统的性能因此输入端匹配的目的就是在保持较好的增益和IIP3的同时获取更好的回波损耗和噪声系数射频有源电路通常都需要提供直流供电网络使射频有源器件能工作在特定的电压电流下在晶体管放大电路中偏置电路为晶体管提供合适的静态工作点如果偏置电路设计不当会影响电路的功率增益噪声系数甚至会导致放大电路的不稳定安捷伦公司的ATF54143是一种增强型伪高电子迁移率晶体管 E-pHEMT 不需要负栅极电压与耗尽型管相比较可以简化排版而且减少零件数直流偏置电路为放大器提供合适的电压和电流使得晶体管工作于要求的静
态工作点并在晶体管参数和温度变化的范围内保持静态工作点的恒定根据特性选择最佳条件这里选取ATF54143的典型直流工作点参数V 3VI 60mA偏置的方式采用了电阻偏置它有较好的温度稳定性其中Vdc是馈电电压其值选5VVds是ATF54143的漏源工作电压大小为3VId是ATF54143静态工作点所需的漏极电流大小为60mA
用于低噪声放大器的印制板应具有损耗小易于加工性质稳定的特点材料的物理和电气性能均匀特别是介电常数和厚度同时对材料的表面光洁度有一定要求通常我们可以采用以FR-4介电常数45之间为基片的板材如电路要求较高可采用以氧化铝陶瓷等材料为基片的微波板材在PCB布板中则要考虑到邻近相关电路的影响注意滤波接地和外电路干扰问题设计中要满足电磁兼容设计原则第四章 ADS软件仿真设计及电路的最终实现
41 ADS软件介绍
先进设计系统 Advanced Design System 简称ADS是安捷伦科技有限公司Agilent 为适应竞争形势为了高效的进行产品研发生产而设计开发的一款EDA 软件软件迅速成为工业设计领域EDA软件的佼佼者因其强大的功能丰富的模板支持和高效准确的仿真能力尤其在射频微波领域而得到了广大IC设计工作者的支持 ADS是高频设计的工业领袖它支持系统和射频设计师开发所有类型的射频设计从简单到最复杂从射频∕微波模块到用于通信和航空航天∕国防的MMIC 通过从频域和时域电路仿真到电磁场仿真的全套仿真技术ADS让设计师全面表征和优化设计单一的集成设计环境提供系统和电路仿真器以及电路图捕获布局和验证能力因此不需要在设计中停下来更换设计工具
先进设计系统是强大的电子设计自动化软件系统它为蜂窝和便携电话
寻呼机无线网络以及雷达和卫星通信系统这类产品的设计师提供完全的设计集成
ADS电子设计自动化功能十分强大包含时域电路仿真 SPICE-like Simulation 频域电路仿真 Harmonic BalanceLinear Analysis 三维电磁仿真EM Simulation 通信系统仿真 Communication System Simulation 数字信号处理仿真设计DSPADS支持射频和系统设计工程师开发所有类型的RF设计从简单到复杂从离散的射频微波模块到用于通信和航天国防的集成MMIC是当今国内各大学和研究所使用最多的微波射频电路和通信系统仿真软件软件
ADS软件的仿真分析法 1 高频SPICE分析和卷积分析Convolution 高频SPICE分析方法提供如SPICE仿真器般的瞬态分析可分析线性与非线性电路的瞬态效应在SPICE仿真器中无法直接使用的频域分析模型如微带线带状线等可于高频SPICE仿真器中直接使用因为在仿真时可于高频SPICE仿真器会将频域分析模型进行拉式变换后进行瞬态分析而不需要使用者将该模型转化为等效RLC电路因此高频SPICE除了可以做低频电路的瞬态分析也可以分析高频电路的瞬态响应此外高频SPICE也提供瞬态噪声分析的功能可以用来仿真电路的瞬态噪声如振荡器或锁相环的jitter
卷积分析方法为架构在SPICE高频仿真器上的高级时域分析方法藉由卷积分析可以更加准确的用时域的方法分析于频率相关的元件如以S参数定义的元件传输线微带线等
2 线性分析
线性分析为频域的电路仿真分析方法可以将线性或非线性的射频与微波电路做线性分析当进行线性分析时软件会先针对电路中每个元件计算所需的
线性参数如SZY和H参数电路阻抗噪声反射系数稳定系数增益或损耗等若为非线性元件则计算其工作点之线性参数在进行整个电路的分析仿真
3 谐波平衡分析 Harmonic Balance
谐波平衡分析提供频域稳态大信号的电路分析仿真方法可以用来分析具有多频输入信号的非线性电路得到非线性的电路响应如噪声功率压缩点谐波失真等与时域的SPICE仿真分析相比较谐波平衡对于非线性的电路分析可以提供一个比较快速有效的分析方法
谐波平衡分析方法的出现填补了SPICE的瞬态响应分析与线性S参数分析对具有多频输入信号的非线性电路仿真上的不足尤其在现今的高频通信系统中大多包含了混频电路结构使得谐波平衡分析方法的使用更加频繁也越趋重要另外针对高度非线性电路如锁相环中的分频器ADS也提供了瞬态辅助谐波平衡 Transient Assistant HB 的仿真方法在电路分析时先执行瞬态分析并将此瞬态分析的结果作为谐波平衡分析时的初始条件进行电路仿真藉由此种方法可以有效地解决在高度非线性的电路分析时会发生的不收敛情况
4 电路包络分析Circuit Envelope
电路包络分析包含了时域与频域的分析方法可以使用于包含调频信号的电路或通信系统中电路包络分析借鉴了SPICE与谐波平衡两种仿真方法的优点将较低频的调频信号用时域SPICE仿真方法来分析而较高频的载波信号则以频域的谐波平衡仿真方法进行分析
5 射频系统分析
射频系统分析方法提供使用者模拟评估系统特性其中系统的电路模型除可以使用行为级模型外也可以使用元件电路模型进行习用响应验证射频系统
仿真分析包含了上述的线性分析谐波平衡分析和电路包络分析分别用来验证射频系统的无源元件与线性化系统模型特性非线性系统模型特性具有数字调频信号的系统特性
6 拖勒密分析Ptolemy
拖勒密分析方法具有可以仿真同时具有数字信号与模拟高频信号的混合模式系统能力ADS中分别提供了数字元件模型如FIR滤波器IIR滤波器AND 逻辑门OR逻辑门等通信系统元件模型如QAM调频解调器Raised Cosine滤波器等及模拟高频元件模型如IQ编码器切比雪夫滤波器混频器等可供使用
7 电磁仿真分析 Momentum
ADS软件提供了一个25D的平面电磁仿真分析功能MomentumADS2005A版本Momentum已经升级为3D电磁仿真器可以用来仿真微带线带状线共面波导等的电磁特性天线的辐射特性以及电路板上的寄生耦合效应所分析的S参数结果可直接使用于些波平衡和电路包络等电路分析中进行电路设计与验证在Momentum电磁分析中提供两种分析模式Momentum微波模式即Momentum和Momentum射频模式即Momentum RF使用者可以根据电路的工作频段和尺寸判断选择使用安捷伦公司的ATF54143
图41 执行S参数仿真的原理图
双击模版的S参数仿真控制器在参数设置窗口中按照如下内容进行参数设置
Star 1950MHz表示扫描的起始频率为1950MHz由SP模型的起始频率决定Stop 2050MHz表示扫描的终止频率为2050MHz由SP模型的终止频率决定Step 1MHz表示扫描的频率间隔为1MHz。