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LNA(ADS设计)

Ku 波段低噪声放大器的设计与仿真
李国华 宋保军 天津通信广播集团有限公司

摘要:本文简要的介绍了低噪声放大器的原理,并用 Agilent 公司的 ADS 软件设计、仿真了一个 Ku 波段的 低噪声放大器。 关键词:低噪声放大器(LNA) 、噪声系数、增益、高电子迁移率晶体管(HEMT) 、匹配、隔离器

1. 引言
在进行信号接收时, 噪声成为制约接收机灵敏度的主要因素。 接收机的低噪声设计十分 重要。随着半导体技术的迅速发展,晶体管放大器的种类是越来越多,同时,晶体管放大器 在降低噪声、 提高工作频率和增大输出功率等方面都取得了很大的进步。 常见的有微波双极 晶体管(BJT) 、微波场效应晶体管(FET) 、异质结双极晶体管(HBT)和高电子迁移率晶 体管(HEMT) 。

2.低噪声放大器原理
放大器的噪声系数

F=
放大器级联的噪声系数

Si / N i So / N o

F = F1 +

Fn ? 1 F2 ? 1 F3 ? 1 + + ... + G1 G1G2 G1G2 Gn

F 和 G 是对应的对数值所对应的倍数。 由上式可知, 接收机的噪声系数主要是取决于第一级放大器, 第二级放大器对接收系统 噪声的影响很小, 第三级放大器就基本上可以忽略不计。 所以低噪声放大器只要是把前两级 做好了就可以了。

3. 低噪声放大器的技术指标和实现方案 3.1 低噪声放大器的技术指标
频率范围: 增益: 12.2~12.8GHz >20dB
1

增益平坦度: 噪声系数: 输入驻波比: 输出驻波比: 阻抗:

±1dB <1.2dB <1.5 <1.5 50ohm

3.2 低噪声放大器的设计方案及理论计算
我选用的是 NEC 公司的异质结的场效应晶体管-NE3210S01,是高电子迁移率晶体管 (HEMT) 。这种晶体管的显著特点是高工作频率和低噪声,目前工艺水平下,HEMT 的工 作频率已经可超过 100GHz。 我用 NE3210S01 两级级联来达到上述指标, 下图为 NE3210S01 的电气特性指标(表 1)

表 1 NE3210S01 的电气特性 NE3210S01 的在 12.5GHz 的 S 参数如下:

s11 = 0.428 ∠-179.6 s12 = 0.108∠-2.2

s 21 = 3.851∠16.0 s 22 = 0.187∠-132.5

Fmin = 0.34dB ,

Γ opt = 0.290∠133.0 , R n = 3.6Ω

现在我们先算单的计算一下 NE3210S01 在 12.5GHz 时的指标。 放大器的稳定性条件

K=


1? | s11|2 ? | s 22 |2 + | |2 >1 2 | s12 s 21|

| |=| s11 s 22 ? s 21 s12 |< 1
(或 B1 = 1+ | s11| ? | s 22 | ? | | > 0 )
2 2 2

(此时的 K 和 B1 是未匹配时的结果)所以放 计算可得 K ≈ 1.10 > 1 , B1 ≈ 1.01 > 0 , 大器是稳定的。 假设 s12=0 进行简单的增益计算。

GTUMAX = G1UMAX G0 G2UMAX =

1 1 | s 21|2 2 (1? | s11| ) (1? | s22 |2 )

2

在 50Ω系统传输增益为

G0 dB = 10 log( s 21) = 10 log(3.8512 ) ≈ 11.71dB
通过匹配输入输出端口可提供的最大增益为

G1UMAXdB = 10 log[

1 1 ] = 10 log[ ] ≈ 0.88dB 2 (1? | s11| ) (1 ? 0.4282 ) 1 1 ] = 10 log[ ] ≈ 0.15dB 2 (1? | s 22 | ) (1 ? 187 2 )

G2UMAXdB = 10 log[
因此,最大的增益为

GTUMAXdB = G1UMAXdB + G0 dB + G2UMAXdB = (0.88 + 11.71 + 0.15)dB = 12.74dB
当 s12 可以被设定为 0 时,设计的过程就相当简单了,为了确定假设 s12=0 所引入的误 差,可通过

GT 来判定是否可以进行单向设计。 GTU 1 G 1 < T < 2 (1 + U ) GTU (1 ? U ) 2 U= | s11|| s 22 || s12 || s 21| (1? | s11|2 )(1? | s 22 |2 )

GT 是双向时的增益; GTU 是单向时的增益;
U 称作单向优值。 通过计算得,

U=

| s11|| s 22 || s12 || s 21| 0.428 × 0.187 × 0.108 × 3.851 = ≈ 0.04 (1? | s11|2 )(1? | s 22 |2 ) (1 ? 0.4282 )(1 ? 0.187 2 ) 1 ] ≈ ?0.36dB (1 + U ) 2 1 ] ≈ 0.37dB (1 ? U ) 2

10 log[

10 log[

可见,由假设 s12=0 所引入的误差很小,正负偏差不超过 0.4dB,所以可以采用单向进 行计算。从以上计算结果可以看出,两级 NE3210S01 在 Ku 波段实现 20dB 的放大是没有问 题的。

3

4. 低噪声放大器仿真设计
由于要实现低噪声同时又要保证驻波是比较困难的, 需要采用折中的办法, 也就是说在 保证噪声系数不大于 1.2dB 的实况下,同时又要求输入驻波也不大于 1.5。由于指标要求比 较高,想要同时满足噪声系数和驻波指标是有些困难的,所以我在前面加了一个隔离器,这 样就不用考虑输入驻波,只要把噪声做好就可以了,但是隔离器的损耗(0.3dB)是要加到 噪声系数里的。图 1 为低噪声放大器的原理框图。
L1=0.3dB 输入 隔离器 A1输入 匹配 A1 G1=11dB A1输出 匹配 A2输入 匹配 A2 G2=11dB A2输出 匹配 输出

图 1 低噪声放大器原理框图

4.1 直流偏置电路的设计和静态工作点的选择
直流偏置电路设计方法有很多,主要是分为无源偏置电路和有源偏置电路。

图 2 NE3210S01 的直流特性曲线 这里没有在 ADS 里单独进行直流偏置的仿真而是通过图 2NEC 公司提供的直流特性曲 线,取 Id=10mA,Vds=2V,此时 Vgs=-0.4V 左右。偏置电路原理如图 3 所示。

4

+VCC

C C1

L L2

Port P1

C C3

L L1

C FET C4 FET1

Port P2

C C2 -Vss
图 3 直流偏置电路原理图 这种无源偏置电路容易理解, 不像有源电路那么复杂。 和单电压供电的自偏压电路相比, 这种电路要提供双电压。 但是由于自偏压电路会引入反馈, 这个反馈在稳定工作点的同时也 降低了增益,加大了噪声,所以没有采用自偏压电路。

4.2 稳定性的设计
在 ADS 中, 进行稳定性判定的模块有很多, StabFct、 像 StabMs、 Mu、 MuPrim、 SstbCir、 LstbCir 都可用于放大器稳定性设计的判断。但实际上是没有必要全部都要用,判断稳定性 的方法有很多,我们只要选一种就可以了。原理图如图 4 如示,点击 Simulate 运行,从运 行结果中的表格可以看出 K>1,B1>0,所以放大器是稳定的。

5

S2P SNP1 File="NE3210S01v1_2-18_2_10.S2P" Term Term1 Num=1 Z=50 Ohm
1 Ref 2

Term Term2 Num=2 Z=50 Ohm

MSub
StabFact VSWR

S-PARAMETERS
StabFact StabFact1 K=stab_fact(S) S_Param SP1 VSWR Start=10 GHz VSWR1 VSWR1=vsw r(S11) Stop=15 GHz Step=0.1 GHz CalcNoise=yes

N
Zopt

MSUB MSub2 H=20 mil Er=3.48 Mur=1 Cond=1.0E+50 Hu=1.0e+033 mm T=16 um TanD=0.004 Rough=0 mm

Zopt Zopt1 Zopt1=zopt(Sopt,PortZ1)

StabMeas

VSWR

OPTIONS
Options Options1 Temp=16.85 Tnom=25

N
Zin

N
Zin

StabMeas VSWR StabMeas1 VSWR2 B1=stab_meas(S) VSWR2=vsw r(S22)

Zin Zin Zin2 Zin1 Zout1=zin(S22,PortZ1) Zin1=zin(S11,PortZ1)

m1 freq=12.20GHz dB(S(2,1))=11.786
20

m2 freq=12.80GHz dB(S(2,1))=11.590

m1 m2
10

nf(2) dB(S(2,2)) dB(S(2,1)) dB(S(1,1))

0

-10

-20 10 11 12 13 14 15

freq, GHz freq (10.00GHz to 15.00GHz)

freq 12.50 G... freq

dB(S(1,1)) -7.371

dB(S(2,1)) 11.711 real(Zopt1)

dB(S(2,2)) -14.563

nf(2) 0.540 imag(Zopt1)

S(2,2) S(1,1) VSWR1 2.497

VSWR2 1.460 real(Zin1) 20.028

K 1.089

B1 1.024

imag(Zin1) -0.147

12.50 GHz freq 12.50 GHz real(Zout1) 37.473

29.785 imag(Zout1) -10.707

10.861

图 4 未进行匹配 NE3210S0 仿真结果

4.3 电路匹配设计
ADS 软件有一个优点就是设置好两个端口的阻抗后,它可以自动的生成匹配电路,当 然也可以根据自己的意愿自己来设计匹配电路。 从图 4 的仿真结果可以看出 NE3210S01 在 12.5GHz 的最佳噪声匹配对应的阻抗是 Zopt=29.785+j10.861,采用阶梯阻抗进行匹配。用 SmithChart 来进行匹配设计,电路的最后 结果如图 5 所示,从仿真结果中我们可以看出 12.2GHz~12.8GHz 噪声系数是比较小的,输
6

出驻波最大值是 1.213,但是输入驻波则已经超过 2,这么大的驻波直接放在天线下面是肯 定不行的。不用担心,我在前面加了一个隔离器,隔离器会将驻波大大改善。
S2P SNP1 File="NE3210S01v 1_2-18_2_10.S2P" Term Term1 MLIN Num=1 TL1 Z=50 Ohm Subst="MSub1" W=0.68 mm L=3.68 mm
1 2 Re f

MSTEP Step1 Subst="MSub1" W1=0.68 mm W2=1.14 mm

MLIN TL2 Subst="MSub1" W=1.14 mm L=4.31 mm

MLIN TL5 Subst="MSub1" W=1.14 mm L=3.95 mm

MSTEP Step2 Subst="MSub1" W1=1.14 mm W2=0.72 mm

MLIN TL6 Subst="MSub1" W=0.72 mm L=3.67 mm

Term Term2 Num=2 Z=50 Ohm

MSub
StabFact VSWR

S-PARAMETERS
StabFact StabFact1 K=stab_f act(S) S_Param SP1 VSWR Start=10 GHz VSWR1 VSWR1=v swr(S11) Stop=15 GHz Step=0.1 GHz CalcNoise=y es

N
Zopt

MSUB MSub1 H=20 mil Er=3.48 Mur=1 Cond=1.0E+50 Hu=1.0e+033 mm T=16 um TanD=0.004 Rough=0 mm

Zopt Zopt1 Zopt1=zopt(Sopt,PortZ1)

StabMeas

VSWR

OPTIONS
Options Options1 Temp=16.85 Tnom=25

N
Zin

N
Zin

StabMeas StabMeas1 B1=stab_meas(S)

VSWR VSWR2 VSWR2=v swr(S22)

Zin Zin Zin2 Zin1 Zout1=zin(S22,PortZ1) Zin1=zin(S11,PortZ1)

m4 freq=12.50GHz S(1,1)=0.398 / 107.153 impedance = Z0 * (0.604 + j0.546)

m3 freq=12.50GHz S(2,2)=0.007 / 32.193 impedance = Z0 * (1.012 + j0.008)

m1 f req=12.20GHz dB(S(2,1))=12.699
20 10

m2 freq=12.80GHz dB(S(2,1))=11.901 m1 m2

m4 m3

nf(2) dB(S(2,2)) dB(S(2,1)) dB(S(1,1))

0 -10 -20 -30 -40 -50 10 11 12 13 14 15

S(2,2) S(1,1)

f req (10.00GHz to 15.00GHz)

f req, GHz f req 11.40 11.50 11.60 11.70 11.80 11.90 12.00 12.10 12.20 12.30 12.40 12.50 12.60 12.70 12.80 12.90 13.00 13.10 13.20 13.30 13.40 GHz GHz GHz GHz GHz GHz GHz GHz GHz GHz GHz GHz GHz GHz GHz GHz GHz GHz GHz GHz GHz f req 12.50 GHz f req 12.50 GHz real(Zout1) 50.609 dB(S(1,1)) -8.344 -8.782 -9.226 -9.595 -9.858 -9.992 -9.985 -9.726 -9.364 -8.935 -8.474 -8.005 -7.511 -7.046 -6.616 -6.226 -5.874 -5.507 -5.181 -4.892 -4.635 dB(S(2,1)) 12.715 12.781 12.825 12.851 12.858 12.846 12.816 12.768 12.699 12.612 12.509 12.390 12.239 12.076 11.901 11.719 11.531 11.329 11.122 10.913 10.705 real(Zopt1) 50.737 imag(Zout1) 0.386 dB(S(2,2)) -9.881 -10.585 -11.409 -12.358 -13.462 -14.756 -16.300 -18.377 -21.098 -25.012 -32.030 -42.894 -28.474 -23.375 -20.328 -18.198 -16.594 -15.242 -14.159 -13.275 -12.543 nf (2) 0.519 0.499 0.481 0.464 0.449 0.436 0.426 0.420 0.416 0.415 0.416 0.419 0.426 0.434 0.446 0.460 0.477 0.496 0.518 0.542 0.567 imag(Zopt1) -0.538 VSWR1 2.240 2.144 2.057 1.991 1.947 1.926 1.927 1.969 2.031 2.113 2.210 2.322 2.455 2.599 2.751 2.909 3.069 3.259 3.452 3.645 3.836 VSWR2 1.944 1.839 1.736 1.635 1.539 1.448 1.362 1.274 1.193 1.119 1.051 1.014 1.078 1.145 1.213 1.281 1.347 1.418 1.487 1.554 1.618 real(Zin1) 30.212 K 1.093 1.095 1.098 1.100 1.103 1.106 1.109 1.109 1.110 1.110 1.111 1.111 1.116 1.122 1.128 1.134 1.140 1.145 1.150 1.156 1.162 imag(Zin1) 27.292 B1 0.780 0.784 0.790 0.798 0.809 0.821 0.834 0.850 0.868 0.885 0.902 0.919 0.940 0.959 0.977 0.993 1.007 1.023 1.038 1.051 1.062

图 5 低噪声匹配后的原理图及仿真结果 以同样的方法进行第二级放大器设计, 但第二级要最大增益和最小驻波, 同时也要兼顾 着噪声系数。第二级放大器的原理图及仿真结果如图 6 所示。

7

S2P DA_SmithChartMatch1_LNA_12GHz_second_stage SNP1 DA_SmithChartMatch1 File="NE3210S01v1_2-18_2_10.S2P" Term Term1 Num=1 Z=50 Ohm
1 Ref 2

MLIN TL16 Subst="MSub1" W=2.53 mm L=3.19 mm

MLIN TL5 Subst="MSub1" W=1.14 mm L=4.17 mm

MLIN MSTEP TL6 Step2 Subst="MSub1" Subst="MSub1" W1=1.14 mm W=0.48 mm W2=0.48 mm L=3.67 mm

Term Term2 Num=2 Z=50 Ohm

MSub
StabFact VSWR

S-PARAMETERS
StabFact StabFact1 K=stab_fact(S) S_Param SP1 VSWR Start=10 GHz VSWR1 VSWR1=vsw r(S11) Stop=15 GHz Step=0.1 GHz CalcNoise=yes

N
Zopt

MSUB MSub1 H=20 mil Er=3.48 Mur=1 Cond=1.0E+50 Hu=1.0e+033 mm T=16 um TanD=0.004 Rough=0 mm

Zopt Zopt1 Zopt1=zopt(Sopt,PortZ1) N
Zin Zin

StabMeas

VSWR

OPTIONS
Options Options1 Temp=16.85 Tnom=25

N

StabMeas VSWR StabMeas1 VSWR2 B1=stab_meas(S) VSWR2=vsw r(S22)

Zin Zin Zin1 Zin2 Zin1=zin(S11,PortZ1) Zout1=zin(S22,PortZ2)

m4 freq=12.50GHz S(1,1)=0.175 / 16.793 impedance = Z0 * (1.395 + j0.14 m1 freq=12.20GHz dB(S(2,1))=13.312
20 10

m3 freq=12.50GHz S(2,2)=0.021 / -83.176 impedance = Z0 * (1.004 - j0.04

m2 freq=12.80GHz dB(S(2,1))=13.035 m4 m3

m1 m 2
S(2,2) S(1,1)
10 11 12 13 14 15

nf(2) dB(S(2,2)) dB(S(2,1)) dB(S(1,1))

0 -10 -20 -30 -40

freq (10.00GHz to 15.00GHz)

freq, GHz freq 11.40 11.50 11.60 11.70 11.80 11.90 12.00 12.10 12.20 12.30 12.40 12.50 12.60 12.70 12.80 12.90 13.00 13.10 13.20 13.30 13.40 G... G... G... G... G... G... G... G... G... G... G... G... G... G... G... G... G... G... G... G... G... freq 12.50 GHz freq 10.00 GHz real(Zout1) 257.079 dB(S(1,1)) -4.993 -5.413 -5.951 -6.573 -7.293 -8.129 -9.103 -10.190 -11.424 -12.769 -14.098 -15.119 -15.397 -14.749 -13.548 -12.213 -10.956 -9.800 -8.814 -7.971 -7.249 dB(S(2,1)) 12.099 12.298 12.492 12.674 12.841 12.989 13.115 13.228 13.312 13.363 13.381 13.362 13.292 13.182 13.035 12.857 12.650 12.424 12.177 11.913 11.638 real(Zopt1) 23.155 imag(Zout1) -24.553 dB(S(2,2)) -6.378 -6.892 -7.500 -8.217 -9.069 -10.091 -11.335 -12.970 -15.098 -18.045 -22.674 -33.369 -29.034 -20.942 -16.954 -14.357 -12.478 -10.988 -9.820 -8.886 -8.127 nf(2) 0.938 0.915 0.893 0.870 0.848 0.826 0.804 0.788 0.771 0.755 0.738 0.722 0.707 0.692 0.677 0.664 0.652 0.641 0.631 0.622 0.615 imag(Zopt1) -7.798 VSWR1 3.575 3.312 3.032 2.768 2.520 2.291 2.080 1.896 1.734 1.597 1.492 1.425 1.409 1.448 1.532 1.649 1.791 1.957 2.137 2.330 2.534 VSWR2 2.845 2.651 2.458 2.270 2.087 1.911 1.744 1.579 1.427 1.286 1.159 1.044 1.073 1.197 1.331 1.474 1.624 1.786 1.954 2.123 2.291 real(Zin1) 69.737 K 1.081 1.083 1.086 1.089 1.092 1.096 1.099 1.099 1.099 1.100 1.101 1.102 1.107 1.113 1.119 1.125 1.131 1.136 1.141 1.147 1.153 B1 0.669 0.669 0.668 0.667 0.666 0.666 0.666 0.665 0.664 0.662 0.661 0.659 0.661 0.664 0.666 0.668 0.669 0.670 0.672 0.673 0.676

imag(Zin1) 7.292

图 6 第二级放大器的仿真原理图及结果 将两级放大器进行级联,并加上偏压电路和输入端的隔离器进行整体仿真,如图 7 所

8

示。
M L IN TL4 5 Sub s t="M Sub 1 " W=1 .1 4 m m L =3 m m M TEE_ ADS Te e 3 Su b s t="M Su b 1" W1=1 .1 4 m m W2=0 .6 8 m m W3=0 .2 m m M LIN TL 1 Su b s t="M Su b 1 " W=0 .68 m m L =3 .6 8 m m M TEE_ ADS Tee 4 S2 P SNP2 Fi le ="NE32 1 0 S01 v 1 _ 2-1 8_ 2 _ 1 0.S2P" M L IN Sub s t="M Su b 1 " TL 33 W1 =0.72 m m Su bs t="M Su b1 " W2 =1.14 m m W=1 .1 4 m m W3 =0.2 m m L =3 m m M TEE_ ADS Te e 6 Su b s t="M Su b 1" W1 =1 .1 4 m m W2 =2 .5 3 m m W3 =0 .2 m m S2 P SNP1 Fi le ="NE32 1 0 S01 v 1 _ 2-1 8_ 2 _ 1 0.S2 P" M TEE_ ADS Te e 8 Su b s t="M Su b 1 " W1 =0 .48 m m W2 =1 .14 m m W3 =0 .2 m m M L IN TL4 3 Sub s t="M Su b 1 " W=1 .1 4 m m L =2 m m M L IN TL4 4 Sub s t="M Sub 1 " W=1 .1 4 m m L =3 m m

1

2

1

2

Te rm Te rm 1 Nu m =1 Z=5 0 Ohm

Re f

Re f

Is o la to rSM L ISO1 L os s 1 =0.3 d B VSWR1 =1 .2 Is o la t=2 5 d B Z1= Z2=

C C3 C=1 0 p F

M L IN TL 2 8 Su b s t="M Su b 1" W=1 .1 4 m m L =2 m m

M LIN TL 2 3 Su b s t="M Su b 1 " W=0 .2 m m L =3 .7 7 m m M TEE_ADS Te e2 Su bs t="M Su b1 " W1 =0 .2 m m W2 =0 .5 m m W3 =0 .2 m m M LIN TL 2 5 Su b s t="M Su b 1 " W=0 .2 m m L =3 .7 7 m m R R3 R=5 0 Oh m

M L IN TL2 0 Step 3 Sub s t="M Sub 1 " Su b s t="M Su b 1 " W=1 .1 4 m m W1=0 .6 8 m m L =4 .31 m m W2=1 .1 4 m m M STEP

M L IN TL 21 Su bs t="M Su b1 " W=1 .1 4 m m L =3.9 5 m m

M L IN TL 2 2 Ste p 4 Su b s t="M Su b 1 " Su b s t="M Su b 1" W=0.7 2 m m W1 =1 .1 4 m m L=3 .6 7 m m W2 =0 .7 2 m m M STEP

C C1 C=1 0 p F M L IN TL3 0 Sub s t="M Sub 1 " W=0 .2 m m L =3 .77 m m M TEE_ ADS Te e 5 Su b s t="M Su b 1 " W1=0 .2 m m W2=0 .5 m m W3=0 .2 m m M L IN TL3 1 Sub s t="M Sub 1 " W=0 .2 m m L =3 .77 m m R R6 R=5 0 Oh m R R4 R=30 0 Oh m

M L IN TL 3 7 Su b s t="M Su b 1" W=1 .1 4 m m L =3 m m

M LIN TL 3 5 L =3 .19 m m Su b s t="M Su b 1 " W=0 .2 m m L =3 .7 7 m m M TEE_ADS Te e7 Su bs t="M Su b1 " W1 =0 .2 m m W2 =0 .5 m m W3 =0 .2 m m M LIN TL 3 6 Su b s t="M Su b 1 " W=0 .2 m m L =3 .7 7 m m R R9 R=50 Oh m

M L IN TL1 6 Sub s t="M Sub 1 " W=2 .5 3 m m

M L IN TL5 Sub s t="M Su b 1 " W=1 .1 4 m m L =4 .17 m m

M L IN TL 6 Ste p 2 Su b s t="M Su b 1" Su b s t="M Su b 1" W=0 .4 8 m m W1 =1 .1 4 m m L =3 .6 7 m m W2 =0 .4 8 m m M STEP

C C2 C=1 0 p F M LIN TL 4 0 Su b s t="M Su b 1" W=0 .2 m m L =3 .7 7 m m M TEE_ ADS Te e 9 Su b s t="M Su b 1" W1=0 .2 m m W2=0 .5 m m W3=0 .2 m m M LIN TL 4 1 Su b s t="M Su b 1" W=0 .2 m m L =3 .7 7 m m R R1 2 R=50 Oh m R R10 R=3 0 0 Oh m

Te rm Te rm 2 Nu m =2 Z=5 0 Oh m

M L OC TL 2 4 Su b s t="M Su b 1" W=0 .5 m m L =3 .7 7 m m

M L OC TL 2 9 Su b s t="M Su b 1 " R R2 R=5 .1 k Oh m W=0.5 m m L=3 .7 7 m m

M L OC TL 3 4 Su b s t="M Su b 1" W=0 .5 m m L =3 .7 7 m m

M LOC TL 3 9 Su b s t="M Su b 1 " R R7 R=5 .1 k Oh m W=0 .5 m m L =3 .7 7 m m

R R1 R=43 0 Oh m

V_ DC SRC1 Vd c =5 V

V_ DC SRC2 Vd c =5 V

R R8 R=43 0 Oh m

V_ DC SRC3 Vd c =5 V

V_ DC SRC4 Vd c =5 V

C C4 C=1 0 0 p F

C C5 C=1 0 0 p F

C C6 C=1 0 0 p F

C C7 C=1 0 0 p F

MS ub
Sta b Fac t M SUB M Su b1 H=2 0 m i l Er=3 .4 8 M u r=1 Con d =1.0 E+5 0 Hu=1 .0 e +03 3 m m T=1 6 u m Tan D=0.0 04 Rou g h =0 m m Sta b Fa c t Sta b Fa c t1 K=s ta b _fa c t(S) VSWR VSWR VSWR1 VSWR1 =v s wr(S1 1 )

S-P ARAMETERS
S_Pa ra m SP1 Sta rt=1 0 GHz Sto p =1 5 GHz Ste p =0 .1 GHz Cal c No i s e =y e s Sta bM ea s Sta b M e a s Sta b M e a s 1 VSWR VSWR VSWR2

N Zo pt Zo pt Zo pt1 Zo pt1 =z o p t(So p t,PortZ1 ) N N Zi n Zin Zin Zin Zin 1 Zin 2 Zin 1 =z i n (S1 1,PortZ1 ) Zou t1=z in (S2 2 ,Po rtZ2)

OPTIONS
Op ti on s Op ti on s 1 Te m p =16 .85 Tn o m =25

B1 =s ta b_ m e a s (S) VSWR2 =v s wr(S2 2 )

m4 freq=12.50GHz S(1,1)=0.071 / -4.978 impedance = Z0 * (1.151 - j0.014)

m3 freq=12.50GHz S(2,2)=0.047 / 71.888 impedance = Z0 * (1.025 + j0.092)

m1 freq=12.20GHz dB(S(2,1))=25.393
30 20

m2 freq=12.80GHz dB(S(2,1))=24.211 m1 m2
S(2,2) S(1,1)

m3 m4

nf(2) dB(S(2,2)) dB(S(2,1)) dB(S(1,1))

10 0 -10 -20 -30 10 11 12 13 14 15

freq (10.00GHz to 15.00GHz) VSWR1 1.273 1.277 1.273 1.262 1.245 1.225 1.204 1.184 1.169 1.159 1.153 1.152 1.153 1.154 1.154 1.152 1.149 1.144 1.140 1.139 1.142 VSWR2 3.282 2.945 2.602 2.279 1.996 1.761 1.576 1.429 1.319 1.234 1.163 1.099 1.068 1.123 1.229 1.371 1.547 1.762 2.014 2.297 2.599 real(Zin1) 57.560 K 37.474 34.458 32.396 31.236 30.821 30.985 31.561 32.264 33.109 33.972 34.767 35.449 36.605 37.696 38.790 39.987 41.415 43.196 45.497 48.501 52.395 B1 0.726 0.767 0.813 0.858 0.899 0.932 0.957 0.975 0.987 0.994 0.999 1.003 1.004 1.001 0.994 0.980 0.958 0.928 0.891 0.849 0.806

freq, GHz freq 11.40 11.50 11.60 11.70 11.80 11.90 12.00 12.10 12.20 12.30 12.40 12.50 12.60 12.70 12.80 12.90 13.00 13.10 13.20 13.30 13.40 G... G... G... G... G... G... G... G... G... G... G... G... G... G... G... G... G... G... G... G... G... freq 12.50 GHz freq 10.00 GHz real(Zout1) 13.037 dB(S(1,1)) -18.400 -18.306 -18.408 -18.717 -19.228 -19.905 -20.677 -21.477 -22.175 -22.678 -22.950 -23.025 -22.990 -22.935 -22.931 -23.021 -23.207 -23.459 -23.681 -23.759 -23.597 dB(S(2,1)) 24.192 24.716 25.150 25.465 25.650 25.710 25.669 25.555 25.393 25.212 25.030 24.856 24.649 24.439 24.211 23.945 23.623 23.230 22.755 22.197 21.564 real(Zopt1) 60.140 imag(Zout1) -7.811 dB(S(2,2)) -5.467 -6.142 -7.037 -8.176 -9.567 -11.191 -13.013 -15.059 -17.222 -19.589 -22.477 -26.562 -29.682 -24.732 -19.750 -16.117 -13.359 -11.182 -9.461 -8.105 -7.047 nf(2) 0.885 0.854 0.828 0.807 0.791 0.779 0.772 0.771 0.775 0.784 0.796 0.813 0.833 0.857 0.882 0.910 0.938 0.968 0.998 1.029 1.059 imag(Zopt1) 0.013

imag(Zin1) -0.709

图 7 两级放大器级联仿真原理图及仿真结果 从以上仿真结果的表格中我们可以看到在 12.2~12.8GHz 范围内,噪声系数最大为 0.882dB,增益大于 24dB,增益平坦度最大也就是是 1.2dB,输入驻波小于 1.2,输出驻波最 大是 1.319。可见,电路的设计仿真结果完全满足指标要求。

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5. 总结
本文介绍了通过高电子迁移率晶体管(HEMT)进行 Ku 波段低噪声放大器设计、仿真 实例。设计结果完全满足指标要求。设计过程中没有进行优化,若是对某些指标或者是参数 感觉不满意,还可以进行优化仿真。

参考文献
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