孫艷麗 凌云峰 王國慶

摘? 要? 針對高頻電子線路實驗只能在實驗箱做驗證性實驗的問題，提出運用ADS軟件進行設(shè)計性實驗。以設(shè)計500 MHz特高頻小信號低噪聲放大器為例，通過直流仿真、S參數(shù)仿真、阻抗匹配、整體仿真完成設(shè)計并測試帶寬，增益平坦性、噪聲系數(shù)及S參數(shù)等指標。實踐表明：將ADS仿真應(yīng)用于高頻電子線路實驗教學中，可以培養(yǎng)學生的綜合實踐能力和創(chuàng)新能力，激發(fā)學習興趣，增強教學效果。

關(guān)鍵詞? 高頻電子線路；實驗；ADS；低噪聲放大器；仿真

中圖分類號：G642.423? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）12-0035-04

Abstract? Aiming at the problem that High-Frequency Electronic Circuit Experiments can only uses hardware experiment box to do replication experiments， this paper presents a new experimental teaching way of using ADS software to design experiments. Taking the design of 500 MHz ultra-high fre-quency small signal low noise amplifier as an example， the?design is completed through DC simulation， S parameter simulation， impedance matching， and overall simulation. And the?bandwidth， gain flatness， noise figure and S parameter are?tested. Practice shows that applying ADS simulation to highfrequency electronic circuit experiment teaching can cultivate?students comprehensive practical ability and innovation abi-lity， stimulate learning interest， and enhance teaching effects.

Key words? high-frequency electronic circuit; experiment;?ADS; low noise amplifier; simulation

0? 引言

高頻電子線路課程是電子類專業(yè)必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程實踐性強，實驗課是將理論知識與工程實踐連接的紐帶，在驗證理論的基礎(chǔ)上培養(yǎng)學生的工程觀念、創(chuàng)新思維和動手能力。但現(xiàn)有實驗主要是在實驗箱上進行驗證，觀察實驗現(xiàn)象，很難實現(xiàn)設(shè)計。因此，將Advanced Design System（ADS）仿真軟件應(yīng)用于高頻電子線路實驗中，通過仿真設(shè)計，達到提高學生設(shè)計能力目的。本文以500 MHz特高頻小信號低噪聲放大器設(shè)計為例，引入微波中S參數(shù)概念進行阻抗匹配，通過仿真完成設(shè)計，觀察指標效果，滿足設(shè)計要求。

在無線通信設(shè)備中，接收機接收的電信號較為微弱，在下變頻變換之前需要進行放大處理。低噪聲放大器（LNA）作為無線通信接收系統(tǒng)的第一個電路單元，它的性能直接影響整個接收機的性

能[1-2]。低噪聲放大器的功能是在保證產(chǎn)生最低的噪聲前提下將信號進行放大，以降低后續(xù)模塊所產(chǎn)生的噪聲對信號的影響。整個系統(tǒng)的噪聲主要由第一級噪聲決定，因此，作為第一級的低噪聲放大器，它的性能至關(guān)重要[3]。基于ADS設(shè)計的低噪聲放大器指標如下：

工作頻率：500 MHz

噪聲系數(shù)：NF＜0.8 dB

增益：G＞15 dB

歸一化電壓傳輸系數(shù)：S11＜-15 dB

1? 直流仿真

1.1? 建立直流仿真

采用Avago的低噪聲放大器芯片ATF54143，該芯片是超寬帶低噪聲放大器，應(yīng)用頻率范圍可達450 MHz～10 GHz，而且芯片在低頻段具有極好的抗噪聲性能。首先從Avago官網(wǎng)上下載ATF54143的設(shè)計模型，按照ADS向?qū)Р襟E釋放到目標文件夾，最終生成ADS工程。低噪聲放大器設(shè)計的第一步是對低噪放芯片進行直流仿真，確定芯片的靜態(tài)工作點。在ADS新建的原理圖中調(diào)出直流仿真控件，再把芯片的模型調(diào)用出來進行仿真。將調(diào)用出來的模型按照引腳標號與直流仿真控件連接好，芯片的G腳與直流控件的柵極相連，D腳與直流控件的漏極相連，兩個S腳分別接地。芯片的噪聲系數(shù)與漏極電流有密切的聯(lián)系，本設(shè)計的靜態(tài)工作點選擇為VGS=0.59 V，VDS=3.0 V。

1.2? 偏置電流設(shè)計

新建原理圖中調(diào)入ATF54143模型和V_DC，連接偏置電路、模型和電壓源，并且芯片電性能參數(shù)對控件進行設(shè)置。選擇放大器設(shè)計向?qū)е械钠秒娐吩O(shè)計，ADS會自動生成一個偏置電路，選擇源極電阻為零的偏置電路，源極只需要加一個反饋的電感就可以。在原理圖中加入DC仿真控件，運行仿真，在原理圖中查看各個節(jié)點的電壓、電流值，生成實際元件的偏置電路，如圖1所示。

2? S參數(shù)仿真分析

偏置電路生成以后，需要知道芯片的S參數(shù)性能，所以需要對其進行S參數(shù)仿真[4-5]。放置S參數(shù)仿真控件，Trem仿真端口。把S參數(shù)仿真需要的元器件從元器件列表中調(diào)出來，按照圖2連線連接。設(shè)置S參數(shù)仿真參數(shù)。在原理圖中加入最大增益分析控件和穩(wěn)定性分析控件。

通過仿真，顯示最大增益和穩(wěn)定性的曲線。一般此時芯片的穩(wěn)定性StabFact＜1，說明該芯片在設(shè)計頻帶內(nèi)是不穩(wěn)定的，應(yīng)采取穩(wěn)定措施來增加穩(wěn)定性。增加穩(wěn)定性的方法常見的有三種：1）輸入串聯(lián)RC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)；2）源端并電感到地；3）增加負反饋。

方法1）引入電阻會影響噪聲系數(shù)，可選擇方法2）在芯片源極串聯(lián)電感到地。在兩個源極端口處串聯(lián)一個電感到地，將變量放進原理圖中，設(shè)置參數(shù)，完成電感的賦值。對電感值進行調(diào)整，以達到優(yōu)化穩(wěn)定性目的。設(shè)置變量可調(diào)，并確定待調(diào)電感的范圍值；逐漸增減電感值，同時觀察穩(wěn)定性曲線，直到達到滿意值為止。運用該方法雖然可以實現(xiàn)穩(wěn)定，但是會明顯降低噪聲芯片的增益，因此必須在盡量減小電感的情況下保持芯片仍然穩(wěn)定。原理圖中的饋電模塊用的是理想DC-Feed模塊，沒有考慮寄生的感容值?？蓪C_Feed原件換掉，換成實際的磁珠電感。對于這樣的扼流電感，一般選擇大的電感值，此處選擇100 nH。并將其他電感和電容均換ADS2013自帶的春田電容庫電感和電容值。修改后的原理圖，通過手動優(yōu)化電感值，最終選擇5 nH，優(yōu)化結(jié)果如圖3所示。

3? 阻抗匹配

3.1? 輸入阻抗匹配

低的噪聲系數(shù)是放大器設(shè)計首要考慮的目標，電路噪聲系數(shù)的好壞直接取決于其輸入電路的匹配，輸出電路的匹配只是影響電路的增益[6]。為了更好地了解電路噪聲系數(shù)的大小，ADS仿真軟件提供了強大的計算模塊，可直接計算低噪聲芯片的理想最小噪聲系數(shù)以及設(shè)計電路實際達到的噪聲系數(shù)值。設(shè)置S-Parament仿真控件為單頻點仿真，頻點為500 MHz。ADS提供了很多的匹配工具，為了更好地理解最小噪聲系數(shù)的意義，采用SMITH圓圖匹配工具DA_SmithChartMatch的匹配方法。設(shè)置源和負載的阻抗，采用LC網(wǎng)絡(luò)匹配，生成相應(yīng)的電路。在掃頻模式下，仿真此時的原理圖，設(shè)置仿真頻率為300～700 MHz。觀察最新噪聲系數(shù)曲線與實際噪聲系數(shù)曲線的關(guān)系。從圖4結(jié)果看到整個頻帶的噪聲系數(shù)在500 MHz附近已經(jīng)達到最優(yōu)化。

3.2? 輸出阻抗匹配

低噪聲放大器只有輸入匹配電路對噪聲系數(shù)有影響，輸出阻抗匹配的目的就是在噪聲系數(shù)比較低的情況下，盡可能地提高電路的增益[7-8]。

低噪聲放大器在整個接收通路中位于最前端，它的增益越高，整個電路的整體噪聲系數(shù)就越接近這一級低噪聲放大器的噪聲系數(shù)。同輸入電路的匹配過程一樣，由顯示曲線可以得到阻抗為48.414-j*17.957，為了達到最大增益，輸出匹配電路需要把50 Ω匹配到Zin1的共軛，匹配后的S22阻抗值的實部為50 Ω附近，虛部接近零值，如圖5所示。輸出端的回波損耗很好，但輸入端的回波損耗變差。輸入端的回波損耗可以通過讓輸出端稍微失配來改善，也可以通過后面的優(yōu)化功能來改善。

4? 整機仿真及優(yōu)化

對輸入輸出都進行匹配后的噪聲系數(shù)和增益基本達到設(shè)計要求，但是整體的輸入和輸出駐波的特性不是太好，由于前面仿真出來的曲線與設(shè)計值偏差較大，特別是S11的值不太理想，可以利用ADS中的優(yōu)化功能對部分參數(shù)變量進行優(yōu)化，通過設(shè)計預(yù)期目標，系統(tǒng)會自動更改變量值，直到滿足設(shè)計目標。優(yōu)化控件不需要單獨設(shè)置，但需要增加用于自動調(diào)整的變量。在仿真優(yōu)化中，由于工作點等已經(jīng)仿真過，無須再次優(yōu)化，只需要對輸入輸出匹配的微帶線進行優(yōu)化。每一個目標都需要單獨添加，如S22優(yōu)化目標設(shè)置為工作頻段-24 dB以下，需要設(shè)置的工作頻率范圍，此處設(shè)置為300～700 MHz。按照以上步驟繼續(xù)添加其他S參數(shù)以及穩(wěn)定性等目標。自動調(diào)整變量和目標添加完成以后，就可以開始優(yōu)化。在優(yōu)化過程中，如果優(yōu)化目標遲遲不能接近，可以考慮加大變量的邊界，或者更改變量的個數(shù)，最終的仿真優(yōu)化結(jié)果包括S參數(shù)、最大增益及穩(wěn)定性。得到系統(tǒng)在工作頻率范圍的駐波都在-20 dB以下，增益及噪聲系數(shù)都滿足設(shè)計要求。

5? 替換實際廠家型號電容和電感

以上電路中的電感和電容值，都是仿真軟件為了達到優(yōu)化目標而自動生成的值，實際產(chǎn)品的電感和電容值可能對應(yīng)不上，因此需要用實際型號的電容和電感替換掉目前的理想模型。

ADS軟件自帶一些廠家的電容和電感模型，但不全，因此需要先去廠家官網(wǎng)下載相應(yīng)的模型庫。本設(shè)計選取的都是日本春田公司的電容電感，下載其器件庫至本地文件夾。通過ADS軟件將其添加到工程中。在替換之前，先觀察目前電路的增益和噪聲系數(shù)情況，為了方便觀察，可以在原理圖的輸入端增加一個實際的輸入源，觀察輸出端的信號頻譜和時域波形，可以直觀地感受到該放大器的信號放大功能。觀察時域波形，輸入信號最大峰值為33 mV，經(jīng)過放大器放大以后，峰值為264 mV；再分別添加直方圖，選擇頻譜、噪聲系數(shù)和S參數(shù)；替換輸出匹配電路，再次進行仿真。由圖6～圖9可以看出輸出信號的最大幅度為248 mV，相對降低了一些，這是由于實際電容和電感值與理想值不同，導致輸出端存在些許的失配造成的，然而整個電路的性能還是基本能夠達到指標要求，不需要手動對電感和電容值進行調(diào)整。

6? 結(jié)束語

對500 MHz低噪聲小信號放大器實驗借助ADS強大的設(shè)計功能完成的仿真設(shè)計，達到指標要求，替代傳統(tǒng)的由經(jīng)驗豐富的射頻工程師多次調(diào)試、多次改版、反復試驗方法，具有很強的實際工程操作性，可以拓展學生知識面，領(lǐng)會無線通信中的實際設(shè)計要領(lǐng)，激發(fā)學習興趣。

參考文獻

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