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摘 要：本文设计了带宽为400MHz，中心频率为4.4GHz射频低噪声放大器，选用安捷伦公司的高电子迁移率晶体管ATF-55143，利用安捷伦公司的微波仿真软件Advanced Design System（ADS）进行原理图和版图的设计、仿真及优化。仿真设计结果表明：在工作频段范围内，其增益S21>9dB、噪声系数NF<2dB、输入反射系数S11<-15dB、输出反射系数S22<-15dB、功耗P<30mW;
关键词：低噪声;ADS;放大器
引言
射频低噪声放大器在通信、遥测遥感、射电天文、雷达以及电子对抗等领域的射频接收机前端已成为必不可少的重要组成部分。低噪声放大器在射频前段的主要作用为在放大信号的同时尽可能低的引入内部噪声，因此噪声系数是低噪聲放大器的一个重要指标。低噪声放大器的噪声系数关乎着射频前端及其整个通信系统的接收灵敏度。由于电磁波的传输损耗、水汽吸收损耗随着电磁波的频率升高而增大，这就对于工作频段较高的低噪声放大器的噪声系数提出了较高的要求。[1]
本文采用稳定性设计和偏置电路设计相结合，以此提高电路设计效率。首先，选择合适的晶体管，确立静态工作点;设计合理的输入输出匹配网络，采用稳定性设计和偏置电路设计综合考虑的方法，以满足增益、噪声系数以及输入输出驻波比等指标;最后进行微带线版图仿真、优化及设计。
1.放大器基本原理
图1为晶体管放大器常规电路原理图。其中， 信号源反射系数; 晶体管输入端反射系数; 负载反射系数; 晶体管的输出反射系数。根据微波网络基本理论可知，放大器的输入、输出匹配网络用来减少反射以提高传输功率流量，其放大器指标由其特定偏置条件下的S参数确定[2]。 和 决定着放大器的电路的噪声参量、增益、稳定性以及电压驻波比等性能参数[3]。
2.设计与仿真
2.1 设计指标
工作频段：4.2GHz～4.6GHz;噪声系数：优于2 dB;增益：优于8dB;输入输出回波损耗：小于-10dB;输入输出驻波比小于1.5。
2.2 设计方法
晶体管选用Agilent公司的高电子迁移率低噪声晶体管ATF-55143。由器件手册可知，在450MHz～6GHz的频段范围内具有较高的动态范围、噪声系数较低、单电源供电、输入输出易于匹配以及性能稳定等优点，完全满足设计需求。板材的介电质常数4.6，介质厚度为0.8毫米，介质损耗角正切为0.035，金属导电率（铜）为5.813e7，金属厚度为35um。在放大器设计中，当工作频率较高时，必须考虑传输线对放大器输入输出匹配的影响，传输线的阻抗与电长度可通过ADS中的LineCalc工具进行仿真计算得到。
2.3 直流工作点分析
首先是根据性能指标，参考ATF—55143的数据手册，来确定芯片的直流工作点。由数据手册中的性能曲线可知，在VDS=2V，Ids=10mA频率达到4.4GHz时，增益大约为12dB，而且增益主要与漏极-源级电流（Ids）有关;此外，在漏极-源级电流（Ids）大于10mA时，器件的的增益与噪声系数都有明显的改善，而且漏极-源级电压（VDS）越大，噪声系数越小，但是VDS对于总体性能的改善并不大。
接下对比在VDS=2V，Ids=10mA与VDS=2V，Ids=15mA下的噪声系数和增益。如图2所示。
图2中的3.9GHz与5GHz，我们可以得知在漏极-源级电流（Ids）大于10mA进行偏置时，芯片的最大增益为将大于12dB，噪声系数小于0.92dB。因此，选取的Ids在10mA与15mA之间，能够保证电路有足够的裕度达到设计的要求。
利用ADS对晶体管建立直流扫描电路图，获得输出特性曲线。确定在VGS=0.44V，VDS=2V时，Ids=12mA，设置电源VDD=2.5V，可得总体功耗为30mW（因为频率较高，各个参数的损失消耗比较大，要为其他参数尽可能的留有更大的裕度）。完成直流偏置。
2.4 稳定性分析
放大器的稳定性分析在放大器设计中一项重要步骤。放大器绝对稳定判决条件如下公式[4]：
只有同时满足（1）～（4）式，才能保证放大器处于绝对稳定状态。
基于ADS对放大器电路进行稳定性分析时，可利用稳定性因数Stab_face（s）或Stab_means（s）可以直接对晶体管进行稳定性分析，当Stab_face（s）>1或Stab_means（s）
<0时即可判定晶体管处于绝对稳定状态[5]。
要使低噪声放大器正常工作，电路必须全频带稳定，但是通过对电路进行S参数扫描得知电路虽然在4.4GHz稳定系数大于1，但在低频时却不稳定。要想系统稳定，主要有四种方式，分别是串联电阻法、串联电感并联电容法，1/4λ波长微带线法和源级负反馈。
串联电阻法，虽然能显著增加系统的稳定性，但会增大系统损耗并且会引入噪声，首先排除;
串联电感并联电容法，主要利用了电感通直流阻交流器件特性，电容的通交流隔直流特性，实现对高频信号的隔离作用。串联电感并联电容形成了谐振回路，会阻隔谐振频率下的高频信号，从而实现改善系统的稳定。
1/4λ波长法，主要是利用了微带线传输定理，1/4λ的波长的微带线，在特定频率的信号下，会等效为电感（串联1/4λ微带线）、电容（并联1/4λ微带线），形成谐振回路，改善系统稳定性。
源级负反馈方式，是增加系统负反馈的方式，以牺牲一定增益为代价，从而提高系统的稳定性。
2.5 稳定性与直流工作点综合设计
在2.3节直流工作点分析中的仿真基础之上，将稳定性设计和偏置电路设计相结合，将两者之间的相互影响联系起来，实现同分析、同设计、同仿真，可节约设计时间成本[6]。这里选用1/4λ波长微带线法和源级负反馈。因电路本身都是由一段微带线阻成，方便实现而且成本较低;引入源级负反馈是因为芯片的源级本身就要接地，既可以增强电路的稳定性，也可以能模拟芯片焊盘对电路的影响，提高系统仿真的可靠性。
由图3可知电路已经全频带稳定，而且增益裕度充足。在设计电路时发现微带线较宽时（阻抗为50Ω），系统的噪声系数下降特别严重，后来调整微带线宽度为30mil后（阻抗约为70Ω），噪声系数有了一定的改善。
2.6 匹配电路
因为，本电路是要实现低噪声放大器，因此这里的输入阻抗应以最小噪声系数的阻抗点进行共轭匹配。
接下来通过输入阻抗控件来观察输出阻抗，进行共轭匹配。匹配完成后调整电路如图4所示。
3.版图的设计与电磁场仿真
通过Layout>>Generate/Update Layout生成版图，调整后的版图如图5
建立联合仿真原理图如图3.2所示
通过联合仿真并优化后的最终结果如下。
由图8可以看出，系统全频带稳定。由图12可以得知系统最终的噪声系数NF=1.69dB，明显小于原理图仿真，主要原因应该板材的阻抗较大，对噪声有一定的抑制能力。由图3.5可以看到电磁场仿真与原理图仿真总体的趋势相同，但还是有一定的差别，主要表现在反射系数减小，增益减小。最终的系统参数为S11=15.597dB，S21=10.887dB，S22=11.415dB。
因此，电路系统最终的所有参数都达到了要求。
4.总结
利用ADS仿真软件完整设计与仿真了一个基于晶体管ATF-55143低噪声放大器，采用1/4λ波长微带线法和源级负反馈的方法，将直流工作点与稳定性设计相结合的方法，在达到噪声匹配、最小的反射匹配的同时，通过在放大器的偏置电路的源级引入1/4λ微带线形成负反馈的方式，使放大器电路在全频段内满足稳定性要求。
参考文献
[1] 卫少卿，寇阳.一种K波段低噪声放大器的设计[J].无线电工程，2018，48（7）：584-587
作者简介：任朝阳（1996～），本科，助理工程师，从事宇航测控通信领域调试与测试研究。
张凯（1992～），硕士，助理工程师，从事宇航测控通信领域研究。
关键词：低噪声;ADS;放大器
引言
射频低噪声放大器在通信、遥测遥感、射电天文、雷达以及电子对抗等领域的射频接收机前端已成为必不可少的重要组成部分。低噪声放大器在射频前段的主要作用为在放大信号的同时尽可能低的引入内部噪声，因此噪声系数是低噪聲放大器的一个重要指标。低噪声放大器的噪声系数关乎着射频前端及其整个通信系统的接收灵敏度。由于电磁波的传输损耗、水汽吸收损耗随着电磁波的频率升高而增大，这就对于工作频段较高的低噪声放大器的噪声系数提出了较高的要求。[1]
本文采用稳定性设计和偏置电路设计相结合，以此提高电路设计效率。首先，选择合适的晶体管，确立静态工作点;设计合理的输入输出匹配网络，采用稳定性设计和偏置电路设计综合考虑的方法，以满足增益、噪声系数以及输入输出驻波比等指标;最后进行微带线版图仿真、优化及设计。
1.放大器基本原理
图1为晶体管放大器常规电路原理图。其中， 信号源反射系数; 晶体管输入端反射系数; 负载反射系数; 晶体管的输出反射系数。根据微波网络基本理论可知，放大器的输入、输出匹配网络用来减少反射以提高传输功率流量，其放大器指标由其特定偏置条件下的S参数确定[2]。 和 决定着放大器的电路的噪声参量、增益、稳定性以及电压驻波比等性能参数[3]。
2.设计与仿真
2.1 设计指标
工作频段：4.2GHz～4.6GHz;噪声系数：优于2 dB;增益：优于8dB;输入输出回波损耗：小于-10dB;输入输出驻波比小于1.5。
2.2 设计方法
晶体管选用Agilent公司的高电子迁移率低噪声晶体管ATF-55143。由器件手册可知，在450MHz～6GHz的频段范围内具有较高的动态范围、噪声系数较低、单电源供电、输入输出易于匹配以及性能稳定等优点，完全满足设计需求。板材的介电质常数4.6，介质厚度为0.8毫米，介质损耗角正切为0.035，金属导电率（铜）为5.813e7，金属厚度为35um。在放大器设计中，当工作频率较高时，必须考虑传输线对放大器输入输出匹配的影响，传输线的阻抗与电长度可通过ADS中的LineCalc工具进行仿真计算得到。
2.3 直流工作点分析
首先是根据性能指标，参考ATF—55143的数据手册，来确定芯片的直流工作点。由数据手册中的性能曲线可知，在VDS=2V，Ids=10mA频率达到4.4GHz时，增益大约为12dB，而且增益主要与漏极-源级电流（Ids）有关;此外，在漏极-源级电流（Ids）大于10mA时，器件的的增益与噪声系数都有明显的改善，而且漏极-源级电压（VDS）越大，噪声系数越小，但是VDS对于总体性能的改善并不大。
接下对比在VDS=2V，Ids=10mA与VDS=2V，Ids=15mA下的噪声系数和增益。如图2所示。
图2中的3.9GHz与5GHz，我们可以得知在漏极-源级电流（Ids）大于10mA进行偏置时，芯片的最大增益为将大于12dB，噪声系数小于0.92dB。因此，选取的Ids在10mA与15mA之间，能够保证电路有足够的裕度达到设计的要求。
利用ADS对晶体管建立直流扫描电路图，获得输出特性曲线。确定在VGS=0.44V，VDS=2V时，Ids=12mA，设置电源VDD=2.5V，可得总体功耗为30mW（因为频率较高，各个参数的损失消耗比较大，要为其他参数尽可能的留有更大的裕度）。完成直流偏置。
2.4 稳定性分析
放大器的稳定性分析在放大器设计中一项重要步骤。放大器绝对稳定判决条件如下公式[4]：
只有同时满足（1）～（4）式，才能保证放大器处于绝对稳定状态。
基于ADS对放大器电路进行稳定性分析时，可利用稳定性因数Stab_face（s）或Stab_means（s）可以直接对晶体管进行稳定性分析，当Stab_face（s）>1或Stab_means（s）
<0时即可判定晶体管处于绝对稳定状态[5]。
要使低噪声放大器正常工作，电路必须全频带稳定，但是通过对电路进行S参数扫描得知电路虽然在4.4GHz稳定系数大于1，但在低频时却不稳定。要想系统稳定，主要有四种方式，分别是串联电阻法、串联电感并联电容法，1/4λ波长微带线法和源级负反馈。
串联电阻法，虽然能显著增加系统的稳定性，但会增大系统损耗并且会引入噪声，首先排除;
串联电感并联电容法，主要利用了电感通直流阻交流器件特性，电容的通交流隔直流特性，实现对高频信号的隔离作用。串联电感并联电容形成了谐振回路，会阻隔谐振频率下的高频信号，从而实现改善系统的稳定。
1/4λ波长法，主要是利用了微带线传输定理，1/4λ的波长的微带线，在特定频率的信号下，会等效为电感（串联1/4λ微带线）、电容（并联1/4λ微带线），形成谐振回路，改善系统稳定性。
源级负反馈方式，是增加系统负反馈的方式，以牺牲一定增益为代价，从而提高系统的稳定性。
2.5 稳定性与直流工作点综合设计
在2.3节直流工作点分析中的仿真基础之上，将稳定性设计和偏置电路设计相结合，将两者之间的相互影响联系起来，实现同分析、同设计、同仿真，可节约设计时间成本[6]。这里选用1/4λ波长微带线法和源级负反馈。因电路本身都是由一段微带线阻成，方便实现而且成本较低;引入源级负反馈是因为芯片的源级本身就要接地，既可以增强电路的稳定性，也可以能模拟芯片焊盘对电路的影响，提高系统仿真的可靠性。
由图3可知电路已经全频带稳定，而且增益裕度充足。在设计电路时发现微带线较宽时（阻抗为50Ω），系统的噪声系数下降特别严重，后来调整微带线宽度为30mil后（阻抗约为70Ω），噪声系数有了一定的改善。
2.6 匹配电路
因为，本电路是要实现低噪声放大器，因此这里的输入阻抗应以最小噪声系数的阻抗点进行共轭匹配。
接下来通过输入阻抗控件来观察输出阻抗，进行共轭匹配。匹配完成后调整电路如图4所示。
3.版图的设计与电磁场仿真
通过Layout>>Generate/Update Layout生成版图，调整后的版图如图5
建立联合仿真原理图如图3.2所示
通过联合仿真并优化后的最终结果如下。
由图8可以看出，系统全频带稳定。由图12可以得知系统最终的噪声系数NF=1.69dB，明显小于原理图仿真，主要原因应该板材的阻抗较大，对噪声有一定的抑制能力。由图3.5可以看到电磁场仿真与原理图仿真总体的趋势相同，但还是有一定的差别，主要表现在反射系数减小，增益减小。最终的系统参数为S11=15.597dB，S21=10.887dB，S22=11.415dB。
因此，电路系统最终的所有参数都达到了要求。
4.总结
利用ADS仿真软件完整设计与仿真了一个基于晶体管ATF-55143低噪声放大器，采用1/4λ波长微带线法和源级负反馈的方法，将直流工作点与稳定性设计相结合的方法，在达到噪声匹配、最小的反射匹配的同时，通过在放大器的偏置电路的源级引入1/4λ微带线形成负反馈的方式，使放大器电路在全频段内满足稳定性要求。
参考文献
[1] 卫少卿，寇阳.一种K波段低噪声放大器的设计[J].无线电工程，2018，48（7）：584-587
作者简介：任朝阳（1996～），本科，助理工程师，从事宇航测控通信领域调试与测试研究。
张凯（1992～），硕士，助理工程师，从事宇航测控通信领域研究。