摘 要：在高頻電子線路的教學(xué)中引入工程實(shí)踐輔助教學(xué)，設(shè)計(jì)仿真及實(shí)物演示，從而大大提升學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，提高學(xué)生的工程實(shí)踐技能和創(chuàng)新能力。通過創(chuàng)新教學(xué)手段和教學(xué)方法，在使學(xué)生扎實(shí)掌握基本理論的基礎(chǔ)上，提高課堂教學(xué)效果。文章論述了低噪聲放大器的主要技術(shù)指標(biāo)，對電路設(shè)計(jì)中的諸多要點(diǎn)進(jìn)行了分析，通過在高頻電子線路課程教學(xué)中引入ADS射頻電路仿真軟件進(jìn)行低噪放的模擬和優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)了三級低噪聲放大器的研制。通過電路調(diào)試，達(dá)到了預(yù)定的技術(shù)指標(biāo)，成功實(shí)現(xiàn)了高性能、小尺寸、低噪聲放大器的建設(shè)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：低噪聲放大器；ADS；實(shí)踐技能

中圖分類號：TP39；G434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2024）16-0189-06

Application of ADS Software in Practical Teaching of High-frequency Electronic Circuits

Abstract： This paper introduces engineering practice auxiliary teaching in the teaching of high-frequency electronic circuits， designs simulation and physical demonstrations so as to greatly enhance students' enthusiasm and initiative in learning， and enhance their engineering practice skills and innovation abilities. By innovating teaching methods and techniques， it improves classroom teaching effectiveness based on enabling students to firmly grasp basic theories. The paper discusses the main technical indicators of low noise amplifiers， analyzes many key points in circuit design， and introduces ADS RF circuit simulation software for simulation and optimization of low noise amplifiers in high-frequency electronic circuit cours1is3wosUn10d7KGWTNtNpA==e teaching. Finally， the development of a three-level low noise amplifier is achieved. Through circuit debugging， the predetermined technical indicators are achieved， and the construction goal of high-performance， small-size and low noise amplifiers is successfully achieved.

Keywords： low noise amplifier; ADS; practice skill

0 引 言

高頻電子線路課程是電子信息等相關(guān)工程專業(yè)的一門專業(yè)核心課[1-2]，課堂教學(xué)效果直接關(guān)乎學(xué)生對后續(xù)其他專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，同時(shí)也是學(xué)生必須掌握的專業(yè)基礎(chǔ)知識之一。該門課程對理論性和實(shí)踐性的要求都比較高，學(xué)生對該門課程的反饋一直是理論抽象、公式多、電路分析復(fù)雜、理解不易[3-4]。鑒于此，很多教師都進(jìn)行了教學(xué)方法和教學(xué)手段的改進(jìn)[5-8]。針對目前教學(xué)輔助軟件單一的問題，本課程引入ADS射頻電路仿真軟件[9-10]進(jìn)行輔助教學(xué)，使學(xué)生對目前工程中廣泛使用的射頻電路仿真軟件有一定的了解，也使學(xué)生對該門課程的學(xué)習(xí)興趣得以提升。

高頻電子線路主要介紹通信系統(tǒng)收發(fā)設(shè)備中各單元模塊的電路特點(diǎn)和工作原理，理論教學(xué)中教師需對電路進(jìn)行分解，對工作原理進(jìn)行詳細(xì)講授，而實(shí)際工程中往往直接使用具有放大功能的集成芯片，在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)的設(shè)計(jì)步驟與理論教學(xué)中的設(shè)計(jì)步驟存在差別，因此使學(xué)生掌握電路工作原理，并利用電路仿真軟件對原型電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證后，可通過講解實(shí)際工程中的電路搭建過程，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，強(qiáng)化學(xué)生的理論知識，提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

本文對接收設(shè)備中的小信號放大器模塊進(jìn)行理論分析和電路仿真，高頻電子線路課程教學(xué)中往往不考慮其對系統(tǒng)的噪聲影響，只介紹小信號調(diào)諧放大器的放大和選頻原理，而實(shí)際工程中，由于小信號放大器位于射頻接收機(jī)前端，對接收機(jī)靈敏度具有決定性的影響，它在對天線接收的微弱信號進(jìn)行放大的同時(shí)還降低噪聲的干擾，因此通常把位于接收機(jī)前端的小信號放大器稱為低噪聲放大器。在工程實(shí)踐中，低噪聲放大器的設(shè)計(jì)包括偏置電路的設(shè)計(jì)、匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，以及進(jìn)行穩(wěn)定性分析等，需要考慮的因素有噪聲系數(shù)、增益、穩(wěn)定性和帶寬動(dòng)態(tài)范圍等，此外還應(yīng)考慮成本、電路尺寸、功耗大小等因素?？傮w來說，設(shè)計(jì)一個(gè)低噪聲系數(shù)、高增益、高動(dòng)態(tài)范圍、絕對穩(wěn)定、低功耗、小尺寸和低成本的低噪聲放大器是通信電子工程師致力追求的事情。

1 低噪聲放大器的設(shè)計(jì)理論

低噪聲放大器從空中接收微弱的無線電信號，在盡量不增加噪聲的情況下放大信號到后級需求的電平，因此對噪聲系數(shù)的要求非常高。同時(shí)，為減小后級噪聲對整機(jī)噪聲的影響，低噪聲放大器還需有一定的增益。低噪聲放大器前級與天線相連，后級與混頻器相連，要求低噪聲放大器前后級在滿足最小噪聲的前提下與50歐姆匹配，達(dá)到盡可能低的反射系數(shù)，同時(shí)要有較高的隔離度，防止信號串?dāng)_。

1.1 噪聲系數(shù)

噪聲系數(shù)即放大器輸入端信噪比與輸出端信噪比的比值，即：

它的物理含義是，信號通過放大器后在傳輸過程中產(chǎn)生的噪聲使得信噪比下降的倍數(shù)。單級放大器的噪聲系數(shù)計(jì)算式為：

其中，NFmin表示晶體管的最小噪聲系數(shù)，由放大管本身決定。Γopt、Rn、Γs分別表示獲得NFmin時(shí)的最佳源反射系數(shù)，晶體管等效噪聲電阻以及晶體管輸入端的源反射系數(shù)。當(dāng)Γs=Γout時(shí)，低噪聲放大器的噪聲就是最小值NFmin。多級放大器的噪聲系數(shù)表達(dá)式為：

其中，F(xiàn)n表示第n級放大器的噪聲系數(shù)，Gn表示第n級放大器的增益。

因此，對于多級放大器，第一級低噪聲放大器的噪聲是整個(gè)接收機(jī)鏈路的系統(tǒng)噪聲的主要來源，接收機(jī)的噪聲基底越低，接收機(jī)的靈敏度就越高。由式（3）可以看出，為了抑制后級噪聲的影響，低噪放的增益不能太小，但增益太大又會(huì)影響接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍，可能引起自激，所以說噪聲和增益有著互相制約的關(guān)系。

1.2 穩(wěn)定性判別

在工作頻段內(nèi)保持穩(wěn)定是放大電路需要滿足的首要條件之一。射頻電路在某些頻率和終端條件下有參數(shù)振蕩的傾向。當(dāng)放大器輸入端和輸出端的反射系數(shù)模值都SMPLprfu2ZZIgkqeJLzJKA==小于1時(shí)，無論源或負(fù)載阻抗如何，網(wǎng)絡(luò)都必然是穩(wěn)定的，這稱為絕對穩(wěn)定；當(dāng)放大器輸入端或輸出端的反射系數(shù)模值大于1時(shí)，網(wǎng)絡(luò)是不穩(wěn)定的，這稱為條件穩(wěn)定。在設(shè)計(jì)一個(gè)放大器時(shí)，首先必須判定工作頻段內(nèi)的穩(wěn)定性，常用的穩(wěn)定性判別準(zhǔn)則有兩種：

1）K-Δ準(zhǔn)則，當(dāng)|S11|＜1、|S22|＜1時(shí)，|Δ|＜1，K＜1，具體表達(dá)式如式（4）所示：

2）μ判別法：

在ADS軟件里通過調(diào)用穩(wěn)定性分析的不同控件，可以得出不同判別式的仿真結(jié)果。

1.3 放大器增益和平坦度

放大器增益即放大器的輸出功率Pout和輸入功率Pin的比值：

由多級放大器的噪聲系數(shù)計(jì)算式（3）可知，若提高增益則可以降低整個(gè)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)，但第一級低噪聲放大器的增益太高又會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。因此一般來說，低噪放增益指標(biāo)的確定應(yīng)和系統(tǒng)整體的噪聲系數(shù)及接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍綜合起來考慮。而增益平坦度則指放大器在工作頻段范圍內(nèi)的增益波動(dòng)，也稱為帶內(nèi)波紋，通常用頻帶內(nèi)的最高增益和最低增益的差值來表示。設(shè)計(jì)多級低噪聲放大器時(shí)需要注意，前級的電路需主要考慮噪聲的影響，后級的電路則主要考慮增益的要求。當(dāng)放大器要設(shè)計(jì)為寬頻帶或超寬帶時(shí)，可采用負(fù)反饋技術(shù)以彌補(bǔ)匹配網(wǎng)絡(luò)帶來的增益補(bǔ)償。利用負(fù)反饋設(shè)計(jì)放大器時(shí)，帶寬可以做到非常寬，并且增益變化也小，這是犧牲了一部分的增益和噪聲換來的。

1.4 端口駐波比

微波放大器通常用在阻抗50歐姆的微波系統(tǒng)中，輸入/輸出駐波表示的是端口阻抗和50 Ω的匹配程度。駐波比的計(jì)算式為：

低噪聲放大器輸入端和輸出端的匹配情況決定了輸入端和輸出端的頻率響應(yīng)，輸入端和輸出端的駐波比可以表示輸入回路和輸出回路的匹配情況。當(dāng)設(shè)計(jì)低噪放匹配電路時(shí)，為了獲得最小的噪聲系數(shù)，輸入匹配網(wǎng)絡(luò)一般都需要以最佳噪聲匹配來設(shè)計(jì)，輸出匹配網(wǎng)絡(luò)則以最大功率匹配來設(shè)計(jì)，所以一般低噪聲放大器的輸入端都存在某種失配。而失配有時(shí)會(huì)使系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況，一般來說，為了減小放大器的輸入端失配引起的端口反射影響，可以使用插入損耗值較小的隔離器來解決。

2 低噪聲放大器設(shè)計(jì)過程

低噪放的設(shè)計(jì)過程主要有以下幾個(gè)步驟，如圖1所示。

設(shè)計(jì)低噪聲放大器所面臨的第一個(gè)問題就是如何選取晶體管。通常考慮如下因素：

1）噪聲小，增益高，價(jià)格合適。

2）動(dòng)態(tài)范圍盡量高，非線性失真要小，失真越小越能保證系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。

3）小的功耗，靜態(tài)工作點(diǎn)的電壓，電流盡量小。

4）在低噪放的后級或?qū)Φ驮敕懦叽缫筝^高的場合，一般選用MMIC。

在確定了晶體管后，最重要的工作是進(jìn)行匹配電路的設(shè)計(jì)。良好的匹配電路才能最大限度地實(shí)現(xiàn)低噪聲與高增益的特性。在低噪放中常用的原則有最小噪聲匹配和最大增益匹配兩種。在進(jìn)行低噪放設(shè)計(jì)時(shí)，通常輸入匹配進(jìn)行的都是最小噪聲匹配，將滿足最小噪聲系數(shù)時(shí)對應(yīng)的源極反射系數(shù)匹配到50歐姆系統(tǒng)。而另一種最大增益匹配即是將放大器的輸出反射系數(shù)調(diào)整到放大器的負(fù)載反射系數(shù)的共軛，就會(huì)有最大傳輸功率。低噪聲放大器的匹配電路在射頻頻率的較低頻段可以由分立器件進(jìn)行匹配，這樣可大大縮小電路尺寸，在高頻頻段則需采用微帶線進(jìn)行匹配，雖然電路尺寸會(huì)在一定程度上增加，但與此同時(shí)可增強(qiáng)電路匹配的精度，使調(diào)試工作變得簡單易行。通常結(jié)合具體的電路要求，選擇合適的匹配網(wǎng)絡(luò)。

在設(shè)計(jì)過程中還要考慮穩(wěn)定性與增益的關(guān)系，如圖2所示。

穩(wěn)定度與增益的關(guān)系可用式（8）表示：

當(dāng)K=1時(shí)，可得到最大的功率增益，隨著K值的增大，增益會(huì)隨之下降，所以對于一般放大器而言，在工作頻段內(nèi)遵循如圖2所示的穩(wěn)定因子K與增益的關(guān)系，即在所需的工作帶寬內(nèi)，讓其穩(wěn)定因子K≥1，且不宜過大；在工作頻段外的更高頻段上，在保持穩(wěn)定性的條件下，讓K值遠(yuǎn)大于1，增益更小，以衰減帶外雜散信號。

通過安捷倫提供的AppCAD軟件進(jìn)行偏置電路元件值的選取，在源極串接微帶線負(fù)反饋改善穩(wěn)定性，運(yùn)用ADS里的史密斯原圖和調(diào)諧工具進(jìn)行輸入輸出匹配電路的設(shè)計(jì)，最終得到的電路原理圖如圖3所示。輸入輸出的匹配采用分立元件進(jìn)行，可大大減少電路尺寸，更適用于現(xiàn)代便捷通信。為了使仿真結(jié)果與實(shí)際結(jié)果更接近，分立元件采用日本村田公司的電容電感進(jìn)行仿真，這樣考慮了實(shí)際元件封裝寄生參數(shù)的影響。仿真結(jié)果如圖4所示。

由仿真結(jié)果可見，低噪放輸入端反射系數(shù)達(dá)到-28 dB，輸出端反射系數(shù)達(dá)到-22 dB，增益達(dá)到13.5 dB，噪聲系數(shù)只有0.48 dB，電路性能良好。

因?yàn)榈谝患壍驮肼暦糯笃鞯脑肼曄禂?shù)對總噪聲影響較大，所以常采用分離式結(jié)構(gòu)，以求較小的噪聲，而后續(xù)的兩級按照設(shè)計(jì)目標(biāo)對增益和噪聲的分配，可以挑選合適的MMIC來實(shí)現(xiàn)。這樣不但減少了電路的復(fù)雜性，還降低了電路的尺寸。本設(shè)計(jì)選用RFMD公司的SPF-5043Z實(shí)現(xiàn)后續(xù)兩級低噪放。由于后兩級放大器選用集成MMIC，輸入輸出匹配已達(dá)到50歐姆，不需進(jìn)行額外的阻抗匹配，只需根據(jù)芯片的datasheet給出的外圍電路進(jìn)行電路連接即可。另外，為了抑制帶外干擾，減少雜波的影響，還需在三級放大管之間加入濾波器。在第二級與第三級放大管之間插入2 M帶寬，插損1.1 dB的聲表面濾波器SAWTEK856042進(jìn)行濾波。選用介電常數(shù)2.2的板材進(jìn)行三級低噪聲放大器的制作與調(diào)試，最終制作出的三級低噪聲放大器的實(shí)物圖如圖5所示。

通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測得的S參數(shù)如圖6所示，在進(jìn)行S參數(shù)的測定過程中，由于電路輸入輸出使用離散元件進(jìn)行匹配，而實(shí)際元件標(biāo)稱值有限，與仿真所得的值會(huì)有誤差，因此在實(shí)際測試中，還需要根據(jù)Smith圓圖進(jìn)行輸入輸出匹配元件的調(diào)整，以使電路達(dá)到最佳狀態(tài)。最終制作的三級低噪聲放大器在測試頻點(diǎn)增益為35.85 dB，輸入反射系數(shù)為-16.62 dB，駐波比達(dá)到1.32，輸出反射系數(shù)為-13.9 dB，駐波比為1.49，反向隔離為-55.45 dB。測試結(jié)果表明，該低噪聲放大器滿足工程應(yīng)用需求，同時(shí)對于高頻電子線路教學(xué)，通過本次設(shè)計(jì)實(shí)踐，拓展了課程理論教學(xué)的深度和廣度，極大地提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)工作在L波段的高增益小尺寸低噪聲放大器，因?yàn)榈谝患壍脑肼晫傮w噪聲影響大，應(yīng)使其自身噪聲系數(shù)盡量小，同時(shí)增益足夠大，以減少后級噪聲的引入。通過合理選擇第一級及二三級的晶體管芯片，在ADS射頻仿真軟件中進(jìn)行了單級低噪聲放大器的仿真優(yōu)化，最后通過實(shí)際調(diào)試使三級級聯(lián)的低噪聲放大器達(dá)到了工程上的應(yīng)用要求。最終設(shè)計(jì)出的低噪聲放大器，作為接收機(jī)的射頻前端，已成功應(yīng)用于無線接收機(jī)中。通過在高頻電子線路的教學(xué)中引入工程實(shí)踐輔助教學(xué)，進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真及實(shí)物演示，可以大大提升學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，提高學(xué)生的工程實(shí)踐技能和創(chuàng)新能力，在使學(xué)生扎實(shí)掌握基本理論的基礎(chǔ)上，不斷改進(jìn)教學(xué)手段和教學(xué)方法，提高課堂教學(xué)效果。

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