宽带低噪声放大器ADS仿真与设计

，与分支线匹配相比电路尺寸会比较紧凑，并且适合构造宽带匹配。可以适当的增加串联微带线的数量，以保证在宽带条件下达到比较好的增益平坦度。

　　2．3 级间匹配电路

　　由于采用两级级联的设计方式，所以合理的级间匹配电路会对电路整体性能产生重要的影响。级间电路的目的是使后级微波管输入阻抗与前级微波管输出阻抗共轭匹配，以获得最大增益，同时兼顾输出平坦度的要求。级间电路共使用了4节微带线，增加的尺寸参数改善了输出平坦度。两级之间需要加隔直电容，但是由于隔直电容很难在X波段保持良好的特性，电路中用λ／4耦合微带线代替。取耦合线宽为0．2mm，耦合间隙为0．1 mm，在很宽的频带内隔直效果好且传输损耗小。

　　2．4 输出匹配电路

　　根据图1所示，第二级二端口网络的输入匹配电路其实是级间匹配电路，根据功率增益最大准则设计输出匹配电路，采用共轭匹配方式，要求此时级间电路的输出阻抗与后级微波管输入阻抗共轭匹配，后级微波管输出阻抗与输出匹配电路的输入阻抗共轭匹配。放大器具有最大功率增益和最佳的端口驻波比性能。当信源和负载都为50 Ω时，放大器的实际功率增益为：

　　2．5 偏置电路设计

　　由于噪声系数与晶体管的静态工作点有密切的关系，所以必须选择合适的偏置电路，才能让放大器工作在最佳状态下。该电路采用双电源供电，所谓双电源是指漏极正电压和源级负电压分别用正压和负压两个电源供电。在初步的电路设计中，可以根据器件的S参数模型提供的偏置条件，用串联分压电阻将放大器的静态工作点设置为VD=2 V，IDS=10 mA。馈电方式选择λ／4高阻微带线端接70°的扇形线，λ／4高阻微带线以遏制交流信号对直流电源的影响，扇形线对高频短路，又相当于电容，可以滤除电源噪声，尤其适合宽频带的设计。当在低频段时，引入衰减，把增益的尖峰消除，改善增益平坦度。在以后的调节优化过程中，可以适当改变分压电阻，以追求更好的整机性能。

　　3 仿真与优化

　　首先要在ADS中定义介质参数，本文选用Rogers4003介质板，在进行ADS仿真时需要设置介电常数εr=3．38和介质板厚度h=0．5 mm。

　　其次要建立晶体管芯的模型，模型的形式有两种，一种是SP模型：属于小信号线性模型，模型中已经带有了确定的直流工作点，和在一定范围内的S参数，仿真时要注意适用范围。该模型只能得到初步的结果，对于某些应用来说已经足够，不能用来做大信号的仿真，或者直流馈电电路的设计，不能直接生成版图。另一种是晶体管的SPice电路参数模型，一般由芯片公司提供，可以在ADS中安装NEC公司提供的Design Kit，该工具包集成了NEC系列低噪声放大器的FET，JBJT，HJ-FET，选择FET中的NE3210S01。由于Design Kit中的元器件是已经封装好的晶体管，其仿真的结果要比使用S参数模型的晶体管模型要可靠。很多时候，在对封装模型进行仿真设计前，通过预先对SP模型进行仿真，可以获得电路的大概指标。

　　考虑过孔寄生效应，在高频段对电路的仿真效果影响较大，所以晶体管源级与地之间加入接地过孔。在微带线连接处用阶梯变换接头或T型接头进行连接，从而获得更精确的仿真模型。在输入和输出的最前段，采用标准的50 Ω传输线与λ／4耦合微带线相连。

　　上述的仿真都是在f=12 GHz单频点内仿真得到的微带线的大致尺寸，为了能够使得电路在3 GHz的带宽下依然保持优良的性能，就必须要对电路实施优化。在优化前可以先用调谐工具手动调整各元件参数，观察哪些参数对电路的性能比较敏感，在优化时应当优先考虑调节。

　　常用的优化方式分为随机优化(random)和梯度优化(gradient)，随机法通常用于大范围搜索，梯度法则用于局域收敛。优化时可设定少量的可变参数，对放大器的各个指标分步骤进行优化，先用100～200步的随机法进行优化，后用20～30步的梯度法进行优化，一般可达最优结果。

　　最后再整体仿真，看是否满足到指标要求。若优化结果达不到要求，一般需要重设参数的优化范围、优化目标或考虑改变电路的拓扑结构，然后重新进行仿真优化。在仿真中要考虑到实际微带线加工的精度和最小尺寸，按照加工精度，有些线条太细是不能实现的，另外追求小数点后面的多位精确也是无实际意义的。一般微带线线宽不应该小于0．2 mm，保留小数点后2位即可(单位：mm)。

　　经过反复的优化仿真，最终的参数满足了所提出的设计指标：在10～13 GHz频带内，噪声系数：小于1．8 dB，增益为25．4 dB±0．3 dB，输出驻波小于1．6，输入驻波小于2。ADS优化后的各个参数指标如图2、图3所示。

　　4 版图设计

利用AutoCAD将优化后的最终结果绘制成版图，注意要在匹配微带