射频放大器的设计与实现

第 6 卷 第 3 期 2009 年 9 月苏 州 工 职 院 Journal of SIIT Vol. 6 No.3 Sep.2009

一、引言

放大器是射频接收机中的主要部件，它处于接收系统的前段，对射频信号进行放大，由于放大器在接收系统中的特殊地位和作用，因此该部件的设计对接收系统的性能有极其重要的影响。

在对低噪声放大器的设计中，要考虑放大能力、噪声性能，稳定性等许多特殊因素，给设计工作带来较大的困难。本文使用Agilent公司的ADS软件对放大器进行了设计，获得了较好的仿真效果。

二、放大器设计理论

在射频放大器设计中，最重要的设计观念是电路的输入输出阻抗的匹配性、电路的稳定性、功率增益、工作带宽、噪声和直流偏置。一个射频放大器的设计常常开始于最初的要求和适当的有源射频器件的选择,然后通过系统数值解和辅助作图法来决定晶体管在特定稳定度和功率增益要求下的工作条件（即信号源和负载的反射系数）。一个绝对稳定的晶体管在任何无源置端条件下，不会产生振荡。换句话说，用一个潜在不稳的晶体管进行设计时，必须经过仔细的分析和考虑，才能用无源置端获

射频放大器的设计与实现

王 栋

（苏州工业职业技术学院 电子工程系，江苏 苏州 215104）

【摘要】本文首先介绍了低噪声放大器的设计理论、方法和过程，然后介绍使用射频微波仿真设计软件Agilent公司的ADS进行分析和设计一个放大器的过程和方法。仿真得到了比较理想的效果。

【关键词】放大器;ADS

Design and Realization of RF Ampli fi er

WANG Dong

Abstract: First,the designing theory 、method and process of Amplifer are introduced. Then an ampli fi er is

designed by the microwave software ADS designed by the company Agilent. the simulation result is perfect.Key words: Ampli fi er ;ADS 得稳定的放大器。各种电路的分析选择正确的直流工作点以及适当的直流偏置电路，对于获得设计要求的交流特性也是十分重要的。

对射频放大器的设计电路的输入输出阻抗的匹配性是及其重要的，在微波频段，传输线问题和匹配电路问题的分析都很麻烦。Smith圆图为这些问题的分析提供了一个非常有用的图解法。通过归一化阻抗和导纳Smith圆图,可以很容易并且快速设计出实现微波放大器最佳性能的匹配电路。微带传输线作为无源电路分析和全部微波放大器工艺的载体被广泛的应用。微波传输线相互连接的方式是跨越式的。芯片中或者封装式的晶体管可以很容易地贴到微带线的导体上。很多电路设计中采用了微带线方式。

三、放大器的仿真设计1、放大器设计目标

●输入输出阻抗为50欧姆，工作在0.75～1.25GHZ。

●放大器增益大于20dB。 ●放大器噪声低于10dB。

●放大器处于绝对稳定状态(稳定因子k>1)。2、放大器设计步骤

●选取符合要求的射频放大管。

收稿日期：2009 - 02 - 14

作者简介：王栋(1981 - ),浙江湖州人,助教,研究方向:应用电子。

●在ADS软件中做电路直流仿真，找出射频管的直流工作偏置点。

●对射频管做交流仿真，观察管子的增益性和噪声。

●对射频管进行S参数仿真，得出射频管的 参数。

●根据射频管的S参数设置输入、输出匹配网络。

●对晶体管放大电路进行S参数的优化使其输入、输出阻抗与50欧姆阻抗相匹配。

3、放大器设计过程

(1)晶体管型号和参数

晶体管如图1

图1 晶体管模型

(2)晶体管的直流仿真电路

仿真结果如下

图2 晶体管的直流仿真结果

(3)晶体管的交流仿真电路

根据DC仿真结果选择好晶体管的直流工作点ICC、IBB、VCE，根据直流工作点求出偏置电阻的值。确定好电阻值后进行AC仿真，插入AC 模拟器，交流电源，50欧姆负载以及隔直流电

容。电路如图3

图3 晶体管的交流仿真电路

插入计算公式计算放大器的增益并绘出放大器的噪声值随频率的变化。

图4 晶体管的增益和噪声

(4)放大电路设计

提取出晶体管的S参数，并设计输入、输出匹配网络使其与50欧姆阻抗相匹配，在设计时要插入S参数控制器、端口Term1和Term2、优化目标dB(S(1,1))、dB(S(2,2))、dB(S(2,1))，因为dB(S(1,1))、dB(S(2,2))越小表示输入输出阻抗越与50欧姆阻抗相匹配，dB(S(2,1))越大表示放大器的增益越大。因此可以设定优化目标值如下图，优化控制器OPRIM的优化方式设置为Gradient即梯形扫描法，反复次数为500次。电路如图5

图5 一级放大电路的匹配

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Vol. 6 No.3

Sep.2009

优化目标设置如图6

图6 电路的优化设置

仿真结果如图7，8所示

(a) 放大电路S(2,1)参数（增益）

（b）放大电路的噪声系数

图7 一级放大电路的增益和噪声系数（a）放大电路的S(1,1)参数

（b）放大电路的S(2,2)参数

（c）Smith圆图

图8 放大电路的S参数图与Smith 圆图

由上图可知，dB(S(1,1))、dB(S(2,2))在0.75～1.25GHz时均小于-20dB，说明放大器的匹配良好，由Smith圆图也可看出在中心1GHz 时S(1,1)、S(2,2)非常接近50欧姆中心点，dB(S(2,1))在1GHz大约为23dB，这就说明管子在匹配良好的状态下单管增益达到了我们的设计目标20dB。

四、结论

该放大器工作在0.75～1.25GHZ，输入输出阻抗匹配良好，放大器增益大于20dB，放大器噪声低于10dB，且处于绝对稳定状态，设计完全符合要求。

参考文献

[1]张玉兴.射频模拟电路[M].北京：电子工业出版社，2002.

[2]Stephen A. Mass著，王惠功等编译.非线性微波毫米波电路分析与设计[M].北京：北

京邮电学院出版社，1990.