寬帶低噪聲放大器ADS仿真與設(shè)計(jì)
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2．4 輸出匹配電路
根據(jù)圖1所示，第二級(jí)二端口網(wǎng)絡(luò)的輸入匹配電路其實(shí)是級(jí)間匹配電路，根據(jù)功率增益最大準(zhǔn)則設(shè)計(jì)輸出匹配電路，采用共軛匹配方式，要求此時(shí)級(jí)間電路的輸出阻抗與后級(jí)微波管輸入阻抗共軛匹配，后級(jí)微波管輸出阻抗與輸出匹配電路的輸入阻抗共軛匹配。放大器具有最大功率增益和最佳的端口駐波比性能。當(dāng)信源和負(fù)載都為50 Ω時(shí)，放大器的實(shí)際功率增益為：
2．5 偏置電路設(shè)計(jì)
由于噪聲系數(shù)與晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)有密切的關(guān)系，所以必須選擇合適的偏置電路，才能讓放大器工作在最佳狀態(tài)下。該電路采用雙電源供電，所謂雙電源是指漏極正電壓和源級(jí)負(fù)電壓分別用正壓和負(fù)壓兩個(gè)電源供電。在初步的電路設(shè)計(jì)中，可以根據(jù)器件的S參數(shù)模型提供的偏置條件，用串聯(lián)分壓電阻將放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置為VD=2 V，IDS=10 mA。饋電方式選擇λ／4高阻微帶線端接70°的扇形線，λ／4高阻微帶線以遏制交流信號(hào)對(duì)直流電源的影響，扇形線對(duì)高頻短路，又相當(dāng)于電容，可以濾除電源噪聲，尤其適合寬頻帶的設(shè)計(jì)。當(dāng)在低頻段時(shí)，引入衰減，把增益的尖峰消除，改善增益平坦度。在以后的調(diào)節(jié)優(yōu)化過(guò)程中，可以適當(dāng)改變分壓電阻，以追求更好的整機(jī)性能。
3 仿真與優(yōu)化
首先要在ADS中定義介質(zhì)參數(shù)，本文選用Rogers4003介質(zhì)板，在進(jìn)行ADS仿真時(shí)需要設(shè)置介電常數(shù)εr=3．38和介質(zhì)板厚度h=0．5 mm。
其次要建立晶體管芯的模型，模型的形式有兩種，一種是SP模型：屬于小信號(hào)線性模型，模型中已經(jīng)帶有了確定的直流工作點(diǎn)，和在一定范圍內(nèi)的S參數(shù)，仿真時(shí)要注意適用范圍。該模型只能得到初步的結(jié)果，對(duì)于某些應(yīng)用來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠，不能用來(lái)做大信號(hào)的仿真，或者直流饋電電路的設(shè)計(jì)，不能直接生成版圖。另一種是晶體管的SPice電路參數(shù)模型，一般由芯片公司提供，可以在ADS中安裝NEC公司提供的Design Kit，該工具包集成了NEC系列低噪聲放大器的FET，JBJT，HJ-FET，選擇FET中的NE3210S01。由于Design Kit中的元器件是已經(jīng)封裝好的晶體管，其仿真的結(jié)果要比使用S參數(shù)模型的晶體管模型要可靠。很多時(shí)候，在對(duì)封裝模型進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)前，通過(guò)預(yù)先對(duì)SP模型進(jìn)行仿真，可以獲得電路的大概指標(biāo)。
考慮過(guò)孔寄生效應(yīng)，在高頻段對(duì)電路的仿真效果影響較大，所以晶體管源級(jí)與地之間加入接地過(guò)孔。在微帶線連接處用階梯變換接頭或T型接頭進(jìn)行連接，從而獲得更精確的仿真模型。在輸入和輸出的最前段，采用標(biāo)準(zhǔn)的50 Ω傳輸線與λ／4耦合微帶線相連。
上述的仿真都是在f=12 GHz單頻點(diǎn)內(nèi)仿真得到的微帶線的大致尺寸，為了能夠使得電路在3 GHz的帶寬下依然保持優(yōu)良的性能，就必須要對(duì)電路實(shí)施優(yōu)化。在優(yōu)化前可以先用調(diào)諧工具手動(dòng)調(diào)整各元件參數(shù)，觀察哪些參數(shù)對(duì)電路的性能比較敏感，在優(yōu)化時(shí)應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮調(diào)節(jié)。
常用的優(yōu)化方式分為隨機(jī)優(yōu)化(random)和梯度優(yōu)化(gradient)，隨機(jī)法通常用于大范圍搜索，梯度法則用于局域收斂。優(yōu)化時(shí)可設(shè)定少量的可變參數(shù)，對(duì)放大器的各個(gè)指標(biāo)分步驟進(jìn)行優(yōu)化，先用100～200步的隨機(jī)法進(jìn)行優(yōu)化，后用20～30步的梯度法進(jìn)行優(yōu)化，一般可達(dá)最優(yōu)結(jié)果。
最后再整體仿真，看是否滿足到指標(biāo)要求。若優(yōu)化結(jié)果達(dá)不到要求，一般需要重設(shè)參數(shù)的優(yōu)化范圍、優(yōu)化目標(biāo)或考慮改變電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，然后重新進(jìn)行仿真優(yōu)化。在仿真中要考慮到實(shí)際微帶線加工的精度和最小尺寸，按照加工精度，有些線條太細(xì)是不能實(shí)現(xiàn)的，另外追求小數(shù)點(diǎn)后面的多位精確也是無(wú)實(shí)際意義的。一般微帶線線寬不應(yīng)該小于0．2 mm，保留小數(shù)點(diǎn)后2位即可(單位：mm)。
經(jīng)過(guò)反復(fù)的優(yōu)化仿真，最終的參數(shù)滿足了所提出的設(shè)計(jì)指標(biāo)：在10～13 GHz頻帶內(nèi)，噪聲系數(shù)：小于1．8 dB，增益為25．4 dB±0．3 dB，輸出駐波小于1．6，輸入駐波小于2。ADS優(yōu)化后的各個(gè)參數(shù)指標(biāo)如圖2、圖3所示。本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/187780.htm
4 版圖設(shè)計(jì)
利用AutoCAD將優(yōu)化后的最終結(jié)果繪制成版圖，注意要在匹配微帶線加入隔離小島，以便以后的調(diào)試，可以適當(dāng)?shù)馗奈Ь€的尺寸，獲得更好的性能。在電路的四周大面積附銅，并留下較密集的金屬化接地過(guò)孔，增強(qiáng)電路的接地性能。四個(gè)角處留有螺絲孔，可以將電路板固定在金屬屏蔽盒內(nèi)。最終的版圖如圖4所示。
評(píng)論