基于ADS的ku波段线性低噪声放大器的设计

摘 要：主要介绍了宽带低噪声放大器的设计理论及用安捷伦公司的ADS仿真软件进行 Ku波段（10.8～12.7 GHz）放大器的设计和仿真。在设计的过程中选择了Hittite Microwave公司的HMC564LC4芯片和安华高的AMMP-6408芯片，其噪声系数更低，增益和工作频率更高。使用微带线进行电路匹配，最终仿真结果：增益平坦度小于1 dB，增益大于30 dB，噪声系数小于2 dB。

关键词：增益平坦度;噪声系数;放大器;ADS;匹配网络

中图分类号：TN722.3 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2014）11-00-03

0 引 言

现代各种雷达新技术的不断发展，人们对其性能及参数的要求也更加的严格，现在低噪声放大器同样已在雷达系统[1]中得到更广泛的应用，而且是其中必不可少的电路。低噪声放大器主要使用在雷达接收系统的前端，从而实现放大接受自天线的微弱信号的功能。线性低噪放不仅被应用于雷达系统，还在通信、电子对抗和无线遥控的接收设备之中，射频前端的放大器需要具有良好的增益平坦度，较低的噪声系数和回波损耗，而对于宽带的微波放大器，增益平坦度就成为一个很严重的问题，所以设计出性能良好的线性低噪放对市场有重要意义。论文采用Agilent公司的ADS软件设计该放大器，ADS可以进行各种射频电路的仿真和优化。

1 理论分析

当单级放大器不能够达到设计的增益数值，就需要采取多级电路进行设计。因此除了常规的输入端和输出端的匹配网络，还需精心设计级间的匹配电路。由于是宽带低噪放，所以一方面进行电路匹配，另一方面要考虑放大器的增益平坦度。对于多级放大器，在加大增益的同时，噪声系数会剧烈增大，同时也使得其他的指标变差。两级放大器的3阶截点IPtot将变成

（1）

式中： IP1 ，IP2分别为第一级、第二级LNA的3阶截点;G2为第二级LNA的增益。

2 Ku波段线性低噪声放大器的设计

2.1 放大器的选择和设计

现在的MMIC技术不断地成熟以及GaAs器件[2]蓬勃发展，微波半导体器件便向着体积小，高可靠性、稳定性进行演化。本设计选用了Hittite Microware公司的HMC564LC4芯片作为放大器的第一级，这种芯片采用晶片级封装技术[3]，尺寸很小，在漏极电压3 V电流51 mA的条件下，信号增益为17 dB，噪声系数为1.5 dB，OIP3为25 dBm，输入和输出端采用了部分内匹配电路，简化了系统设计。放大器第二级采用Avago公司的AMMP-6408芯片，在10.8～12.7 GHz内增益在17～20 dB之间，噪声系数为3.5 dB，OIP3为38 dBm。

2.2 设计指标要求

频率范围10.8～12.7 GHz; 增益>30 dB; 增益平坦度

2.3 放大器的设计与仿真

2.3.1 偏置电路设计

HMC564LC45的Vdd1，Vdd2均为3.5 V。这两款芯片的偏置电路设计如图1～图2所示。

图1 HMC564LC4偏置电路

2.3.2 匹配网路设计

由于需要低噪声的放大器作为第一级，因此芯片选用HMC564LC4，它的噪声系数为1.8 dB。第二级选用AMMP-6408，它的增益达到17 dB以上，用以取得较高的增益。

2.3.3 匹配网路的计算机仿真

放大器具有最佳的信号源阻抗，按照此阻抗值进行匹配时，放大器的噪声系数达到最低值，因此放大器在输入端的匹配电路[4]需要按照该信号源阻抗值[5]来匹配。而如果需要提高放大器的功率增益值，较低的放大器输出驻波比，输出端则应该进行共扼匹配。当电路输入端匹配实现噪声最优时，放大器的输入阻抗和信号源阻抗一般情况下是失配的，因而此时的放大器放大倍数没有达到最优值。在设计放大器时应该在得到较好的噪声系数的前提下增大增益值。

图2 AMMP-6408偏置电路

在设计的时候非常关键的是选择合适的拓扑结构作为匹配网络，这里输入端采用双枝短截线匹配，微带线的两个短截线开路，可以通过调节短截线的长度达到匹配的目的。输出端采用单枝短截线的拓扑结构。

匹配电路设计完成后，再利用软件进行进一步的优化设计[6]。先采用Random方式优化，然后使用Gradient优化。经过反复的优化后，在根据具体的参数手动调节匹配网络[7]，以达到指标要求。选取的射频介质基板的参数为：介电常数εr=2.65，基板厚度H=0.5 mm，Tan D=0.003。图3是经过匹配后的原理图。

图4～图7是仿真结果。

图4 输入输出反射系数

图5 增益仿真结果

图6 噪声系数

图7 稳定因子

2.3.4 放大器的版图设计

仿真达到设计要求后，使用AD画出低噪放版图， 最终的电路板尺寸大小为55 mm*33 mm，版图如图8所示。

3 结 语

从以上仿真的结果可以看出， 利用ADS软件强大的仿真功能[8]使设计放大器非常方便。ADS软件中有很多只做好的元器件库和原理图模型，方便开发者的设计，减少了设计时间。利用ADS软件能够进行电路的不断优化，节省了大量的工作量， 也对实际电路的制作提供了较好的指导作用。设计的放大器工作频段较宽，增益平坦度在1 dB之内，噪声在2 dB以内，性能良好，对宽带的微波放大器设计有较好的参考价值。

图8 版图

参考文献

[1]弋稳.雷达接收机技术[M].北京：电子工业出版社，2005

[2] JOE M.Low voltage operation of GaAs power amplifier[J].Microwave Journal，2006，49（9）：130-134.

[3] HENRIK M.Wafer scale package construction and usage for RF through millimeter Waveapplications[C]Proceedings of theEuropean Microwave Conference.Rome， 2009： 1772-1775.

[4]向宏平，杜惠平.CDMA射频前端低噪声放大器电路设计和研究[J].微电子学，2004，34（4）：432-434.

[5]何小威，李晋文，张民选，等.1.5～6 GHz增益和噪声系数稳定的两级超宽带CMOS低噪声放大器设计与性能模拟[J].电子学报，2010，38（7）：1668-1672

[6]梁立明，南敬昌，刘影.基于ads射频低噪声放大器的设计与仿真[J].计算机仿真，2009，26（11）：352-355.

[7]王子宇.射频电路设计――理论与应用[M].北京：电子工业出版社，2002.

[8]黄玉兰.ADS射频电路设计基础与典型应用[M].北京：人民邮电出版社，2010.