如何使用ADS實現(xiàn)寬帶低噪聲放大器的仿真與設計

　　低噪聲放大器（low noise amplifier，LNA）是射頻接收機前端的重要組成部分。它的主要作用是放大接收到的微弱信號，足夠高的增益克服后續(xù)各級（如混頻器）的噪聲，并盡可能少地降低附加噪聲的干擾。LNA一般通過傳輸線直接和天線或天線濾波器相連，由于處于接收機的最前端，其抑制噪聲的能力直接關系到整個接收系統(tǒng)的性能。因此LNA的指標越來越嚴格，不僅要求有足夠小的低噪聲系數(shù)，還要求足夠高的功率增益，較寬的帶寬，在接收帶寬內(nèi)功率增益平坦度好。該設計利用微波設計領域的ADS軟件，結(jié)合低噪聲放大器設計理論，利用S參數(shù)設計出結(jié)構簡單緊湊，性能指標好的低噪聲放大器。

　　1 設計指標

　　下面提出所設計的寬帶低噪聲放大器需要考慮的指標：

　?。?）工作頻帶：10～13 GHz。工作頻帶僅是指功率增益滿足平坦度要求的頻帶范圍，而且還要在全頻帶內(nèi)使噪聲系數(shù)滿足要求。

　?。?）噪聲系數(shù)：FN《1．8 dB。FN表示輸入信噪比與輸出信噪比的比值，在理想情況下放大器不引入噪聲，輸入／輸出信噪比相等，F(xiàn)N=O dB。較低的FN可以通過輸入匹配到最佳噪聲匹配點和調(diào)整晶體管的靜態(tài)工作點獲得。由于是寬帶放大器，難以獲得較低的噪聲系數(shù)，這就決定了系統(tǒng)的噪聲系數(shù)會比較高。

　?。?）增益為25．4 dB。LNA應該有足夠高的增益，這樣可以抑制后面各級對系統(tǒng)噪聲系數(shù)的影響，但其增益不宜太大；避免后面的混頻器產(chǎn)生非線性失真。

　　（4）增益平坦度為O．3 dB。指工作頻帶內(nèi)增益的起伏，低噪放大器應該保持一個較為平坦的增益水平。由于是寬帶放大器，使得增益平坦度比較小，應該在高頻段匹配電路，使頻帶低端失配，從而改善放大器的增益平坦度。

　?。?）輸入／輸出匹配。為了滿足良好的噪聲性能，輸入端口通常失配。此時，增益將下降，端口駐波比性能變差。此外，由于微波晶體管自身增益大約是以每倍頻程下降6 dB，為了獲得工作頻帶內(nèi)良好的增益平坦度，也要犧牲一定的端口駐波性能。

　?。?）穩(wěn)定度。它是保證放大器正常工作的基本條件。當放大器的輸入端和輸出端的反射系數(shù)模都小于1（即|Γ1|《1，|Γ2|《1） 時，不論源阻抗和負載阻抗如何，網(wǎng)絡都是穩(wěn)定的，稱為絕對穩(wěn)定；反之，則稱為相對穩(wěn)定。對條件穩(wěn)定的放大器，其負載阻抗和源阻抗不能任意選擇，而是有一定的范圍，否則放大器不能穩(wěn)定工作。根據(jù)以上的論述，該設計的重點是保證在較寬帶寬內(nèi)噪聲系數(shù)低和增益平坦。為保證上述設計指標的實現(xiàn)，采用了兩級級聯(lián)的設計方案：第一級根據(jù)噪聲最小設計輸入匹配電路獲取優(yōu)良噪聲系數(shù)；第二級根據(jù)功率最大準則設計輸出匹配電路以獲取最大的放大增益。設計LNA一般選擇砷化鎵場效應晶體管（GaAsFET），其優(yōu)點是頻率高，噪聲低，開關速度快以及低溫性能好。本文即是選用NEC公司的砷化鎵異質(zhì)結(jié)場效應晶體管NE3210S01。