摘要：針對寬帶雷達接收前端的應用，基于ADS軟件設計了一種S段平衡式寬帶低噪聲放大器。在軟件仿真中使用晶體管的Spice模型，在確定直流工作點后進行輸入端的最小噪聲阻抗匹配和輸出端的最大增益阻抗匹配，最后給出了仿真結果和版圖設計。同時采用新型S波段90°寬帶功分器用于平衡式LNA的電路，大大提高了放大器的電性能，顯著減小了整個電路的尺寸。在此將原理圖一版圖聯合仿真用于LNA的設計優(yōu)化，將整個電路作為一個模型進行EM分析，得出了一個可以比原理圖仿真更接近實際電路的結果，同時有效提高了產品的研發(fā)效率，縮短小了研制周期。
關鍵詞：平衡式放大器；ADS聯合仿真；90°。寬帶功分器；Spice模型

0 引言
隨著現代雷達技術的迅猛發(fā)展，對雷達性能的要求越來越高，低噪聲放大器(LNA)已被廣泛應用于雷達系統中，成為了雷達接收系統中必不可少的重要電路。低噪聲放大器位于雷達接收系統的前端，其主要功能是將來自天線的微弱信號進行小信號放大。因為LNA位于整個接收放大電路的最前端，所以它的噪聲系數直接影響了整個雷達接收系統的噪聲系數和靈敏度。同時，LNA的輸入／輸出駐波比也影響著整個鏈路的性能。LNA不僅僅被應用在雷達接收系統中，目前已被廣泛應用于通信、電子對抗以及遙控遙測系統接收設備中。研制出性能優(yōu)良的微波低噪聲放大器對滿足市場需求具有重要意義。
ADS(Advanced Design System)是Agilent公司推出的微波電路和通信系統仿真軟件。其功能非常強大，仿真手段豐富多樣，可實現包括時域和頻域、數字與模擬、線性與非線性、噪聲等多種仿真分析手段，并可對設計結果進行成品率分析與優(yōu)化，從而大大提高了復雜電路的設計效率，是非常優(yōu)秀的微波電路、系統信號鏈路的設計工具。主要應用于：射頻和微波電路的設計，通信系統的設計，DSP設計和向量仿真。本文著重介紹如何使用ADS進行低噪聲放大器的設計。

1 寬帶及平衡式放大器的設計理論
寬帶放大器的設計主要是解決補償品體管增益隨頻率增大而下降的問題。常用寬帶放大器主要有以下幾種：分布放大器、負反饋放大器、補償匹配網絡放大器和平衡式放大器。分布放大器使用器件過多，調試復雜，一般用于單片寬帶放大MMIC；負反饋放大器能反饋有平坦的增益并降低輸入／輸出電壓駐波比，但限制了最大功率增益并增加了噪聲系數；補償匹配網絡放大器中的匹配網絡還要為獲得小的輸入／輸出駐波比和噪聲等指標服務，設計相當困難，并且一般需要多級配合。平衡放大器雖然電路面積和耗電比單路放大器增加了一倍，但有良好的輸入／輸出駐波比以及增大3 dB的功率容量。成為寬帶放大器的一種重要形式。平衡式放大器常采用的結構形式如圖1所示。

進入輸入耦合器端口1的功率在幅度上被分成兩部分，它們到達端口2和端口3的時候有90°相位差，而端口4沒有功率輸出。輸出耦合器通過引入90°的附加相移，使兩個放大器的輸出信號恢復同向，再把功率合成起來。這里將兩個放大器分別標記為A，B，其S參數分別為，則整個放大器的S參數為：

式中1／2為耦合器的3 dB衰減；由于3端口有90°的相移，負號表示信號兩次經過3端口所產生的180°總相移。如果放大器的兩個支路完全相同，則兩路放大器的S參數完全相同，則|S11|=|S22|=0，也就是平衡式放大器有很好的輸入／輸出駐波比性能，同時平衡式放大器的正向、反向增益等于每個支路的相應增益。
對于LNA而言，由于耦合器的損耗，平衡式放大器的噪聲系數有相應的增大。由公式：
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可得，輸入端耦合器的損耗將直接加在平衡式LNA的噪聲系數上。與在LNA前加隔離器等同樣改善駐波比的電路相同，這是必須要付出的一個代價。

2 LNA的指標和設計
2．1 LNA設計指標
LNA設計指標如表1所示。

2．2 微帶線的設計
S波段的電路主要采用分布式參數進行設計。因為頻率較高，所以微帶線的性能對信號傳輸的影響很大。在該設計中，除了微帶線采用50 Ω特征阻抗以外，對微帶線的拐角用HFSS進行了專門的性能仿真和設計。仿真模型如圖2所示。

經過仿真，確定微帶線拐角的切角長度大致為50 Ω微帶線寬度的20％時傳輸效果最好。
2．3 分支低噪聲放大器仿真和版圖設計
平衡式LNA的每一支路的LNA為相同性能的兩個LNA。在該設計中重點關注它們的增益平坦度和噪聲系數的指標，因為平衡式放大器輸入／輸出駐波比這一性能由耦合器來決定，所以設計分支放大器時，駐波比可以先不關注。
2．3．1 晶體管的選擇和偏置電路的設計
晶體管選擇AVAGO公司的EPHEMT(增強型假晶高電子遷移率晶體管)ATF-54143。AVAGO公司提供可以在ADS軟件里進行仿真的ATF54143的Spice模型，所以可以直接在ADS里做放大器的直流、交流、S參數、諧波等各類仿真而不必受到在一定偏置條件下S參數的束縛。由ATF54143的芯片資料以及綜合考慮噪聲系數等因素，該設計確定ATF54143的偏置為Vds=3 V，Id=25 mA。經過仿真優(yōu)化以及考慮到標稱電阻值的問題，最后確定的偏置電路如圖3所示。

2．3．2 源極反饋電路的設計
一般的放大器網絡為共源極結構，柵極為輸入端，漏極為輸出端。放大器能正常工作的前提是電路是穩(wěn)定的，即穩(wěn)定因子K>1。改善放大器穩(wěn)定性的途徑有在柵極加串聯電阻和增加反饋電路等。在柵極加串聯電路雖然可以增加穩(wěn)定性，但惡化了噪聲系數，而源極負反饋因為不涉及電路的信號通路，所以對放大網絡噪聲的影響很小。通過給晶體管加入源極負反饋，可以改善晶體管的穩(wěn)定狀態(tài)。通常源極負反饋都是加入電感性元件。但是電感值通常太小，所以不用集總元件實現，而是使用終端短路微帶線來實現。該設計采用源極加終端短路微帶線的方式，通過ADS仿真可以較為準確的評估晶體管的穩(wěn)定性。
2．3．3 輸入／輸出匹配設計和仿真
在設計匹配網絡的時候，選擇合理的拓撲結構對于低噪聲放大器的設計至關重要。本文采用的拓撲結構是并聯導納式結構，即利用串聯微帶傳輸線進行導納變換，然后并聯一個微帶分支線，微帶線的終端開路(或短路)，用其輸入導納作為補償電納，以達到電路匹配。因為是最前端的低噪聲放大器，所以輸入端匹配電路按照最小噪聲系數進行匹配，當ΓS=Γopt時，噪聲系數最小，NF=NFmin。當ΓS≠Γopt時，
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選取等噪聲系數圓上的最佳噪聲系數點的阻抗做輸入端匹配。輸入端匹配完成之后，輸出端匹配按照最大增益進行匹配。在ADS里可以進行原理圖和版圖仿真的調諧和優(yōu)化。因為頻帶內增益平坦度也是一個重要指標，所以在設計的過程中增益平坦度和噪聲系數之間需要做一個折中和妥協。分支LNA的版圖如圖4所示。

ADS中可以把layout中的無源電路和原理圖中的元器件有機結合在一起進行聯合仿真，既考慮到了版圖的場的效應，又考慮到原理圖中有源器件和集總元件的路的效應。這樣仿真結果和實測結果可以非常接近，大大縮短制版調試的周期。由仿真結果可以得出：分支LNA的增益達到了10．6 dB，頻帶內增益平坦度小于0．5 dB，噪聲系數小于1．003 dB，穩(wěn)定性系數K在1．02～1．06之間。放大器為無條件穩(wěn)定。因為設計中使用的為ATF54143的Spice模型，因此在ADS中可以作諧波仿真。由仿真結果可得，分支LNA的輸出P1 dB壓縮點為17．7 dBm，此時輸入功率為8．5 dBm。由ATF54143的芯片資料可得，該晶體管的輸出1 dB壓縮點約為20．4 dBm。因為電路采用晶體管源極負反饋以及寬帶低噪聲匹配犧牲了部分增益，所以電路的1 dB壓縮點有約2 dB多的下降。
2．4 90°寬帶功分器的仿真和版圖設計
在S波段，通常的90°分支線耦合器和Wilkinson功分器要做到3～4 GHz的帶寬和較好的性能需要采用兩級或更多，尺寸會較大(3～4 GHz兩級分支線耦合器在RO4003射頻板上的尺寸達到了10 mm×20 mm)。而Wilkinson功分器要達到寬帶性能也要犧牲尺寸，并且還需要解決一個寬帶90°微帶延長線的問題。而采用MiniCircuits公司的QCS-442+90°寬帶功分器，在電性能較好的同時可以有很小的尺寸，這給平衡式放大器的設計帶來了新的思路。

為了驗證QCS-442+90°功分器的性能，在ADS里用QCS-442+90°功分器的S參數模型進行原理圖版圖聯合仿真，如圖5所示。
2．5 平衡式放大器的版圖設計和聯合仿真
將90°寬帶功分器和分支放大器的版圖合在一起，進行原理圖-版圖的co-simulation，如圖6所示。

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仿真結果如圖7～圖10所示。由仿真結果可以得出，受益于90°寬帶功分器的良好性能，該平衡式LNA的輸入／輸出駐波比在設計頻帶內很好。因為輸入端90°寬帶功分器的插入損耗，所以放大器增益減小，噪聲系數增大，但也都在可接受的范圍之內。用諧波平衡法仿真該平衡式放大器的P1 dB壓縮點等性能。仿真結果如圖10所示。

由圖10可知，該LNA的輸入1 dB壓縮點為12 dBm，輸出1 dB壓縮點為20．5 dBm。正好比每個分支的LNA的P1 dB值大3 dB。

3 結語
低噪聲放大器設計主要考慮的指標是放大器噪聲系數和增益，但是這通常會犧牲放大器輸入駐波比的性能。并且低噪聲放大器為晶體管小信號放大，動態(tài)范圍較小，又在雷達接收通道的最前端，很容易因為外來的大信號而飽和。平衡式放大器能夠在增加一定的噪聲系數和損失一定的增益的條件下較好的改善輸入／輸出駐波比，同時平衡式低噪聲放大器的功率容量比單路放大器大一倍，可以有效增大接收機的動態(tài)范圍。高電子遷移率晶體管具有良好的噪聲和增益特性，是設計低噪聲放大器的較好選擇。同時隨著制造技術的提高，新型90°寬帶功分器能夠比通常的微帶形式的耦合器有更小的體積，給相應頻段的平衡式放大器帶來了新的設計思路。Agilent的ADS是功能強大的射頻微波仿真平臺，可以提供豐富且精確的器件仿真模型，使得設計更加貼合實際的電路。在射頻微波電路的設計中使用ADS軟件防真可以在設計中預先對電路的性能進行較為精確的優(yōu)化和評估，減小實際電路制造中的風險，縮短研發(fā)周期，節(jié)約研發(fā)成本。
本文給出了基于ATF54143的S波段平衡式低噪聲放大電路的設計、仿真分析。仿真結果表明，所設計的低噪聲放大器在3～4 GHz，噪聲系數大小于1．5 dB，增益為(9．6±0．3)dB，輸入／輸出駐波比不大于1．3，輸出1 dB壓縮點為20．5 dBm。