基于ADS的S波段平衡式寬帶低噪聲放大器設計

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化，從而大大提高了復雜電路的設計效率，是非常優秀的微波電路、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：