AWR+MWO软件进行低噪声放大器设计.docx
低噪声放大器设计Studentss Names23/23低噪声放大器设计摘要低噪声放大器（LNA）是接收机的第一级有源电路，它本身应该有很低的噪声并提供足够的增益以抑制后续电路的噪声。由于接收机的输入信号变化范围可以达到 80dB以上，如从几个微伏的小信号到几十毫伏的大信号，低噪声放大器应同时具备放大小信号和接受大信号的能力。为了将小到几个微伏的输入信号放大到一定程度而不被噪声淹没，LNA本身应具有很小的噪声和足够的增益。为了接受大信号而不产生失真，LNA应有良好的线性度。本次设计使用AWR MWO设计软件设计，LNA采用的晶体管为MGF4921AM，两级结构，电路基板为Ro4003C （厚度： 0.5mm ），中心频率为3.5GHz ，带宽为 400MHz，在中心频率处的增益为26.638dB，平坦度为0.711dB，带内驻波比小于2，噪 声系数为1.172dB3.52GHz，1.066dB3.28GHz，1.308dB3.72GHz。目录摘要21. 设计、仿真和电路实现41.1 设计指标41.2 设计方法简述41.3 仿真过程和结果51.4 版图设计和实物152. 测试过程、结果及分析182.1 测试环境和过程182.2 测试结果和分析183. 总结23致谢23参考文献23作者简介231. 设计、仿真和电路实现本次设计的为中心频率为3.5GHz的低噪声放大器，设计中对放大器的增益、带内平坦度和噪声系数进行了仿真和测试，并同时测试了输入驻波比、增益压缩和互调特性。1.1 设计指标设计指标要求：晶体管：MGF4921AM，采用两级结构，微带基片：Ro4003C，板厚0.5mm，中心频率3.5GHz，带宽大于10%，NF小于1.5，增益大于25dB，带内平坦度 1dB，输入驻波小于2。1.2 设计方法简述低噪声放大器是接收机的第一级有源电路，它本身应有很低的噪声并提供足够的增益以抑制后续电路的噪声。电路的噪声来源于首先是信号源内阻及匹配电路的电阻热噪声，如串联电容的寄生电阻噪声，再次就是晶体管的栅极电阻热噪声、沟道热噪声和闪烁噪声。噪声系数的定义为总的输出噪声功率除以信号源噪声产生的输出噪声功率，如F = Nout ,totalNout ,source由于要采用两级结构，计算两级级联后的噪声系数图1 两级级联1F= F + F2 -1Gtotal1此式是考虑输入输出都完全匹配时得出的，即系统完全匹配。由看出要想实现低噪声系数必须前级的噪声系数很小，因为级联后的噪声系数由前级决定，所以设计时，采用了前级放大器为输入端匹配到最小噪声系数时的输入反射系数，而输出端实现最大增益匹配，即共轭匹配。对于第二级，就采用最大转换功率增益匹配，即输入输出同时共轭匹配。然后将两级级联即可。1.3 仿真过程和结果本次设计中，提供的晶体管是MGF4921AM，由于低噪声放大器接受的都是小信号，所以在设计时只考虑晶体管的小信号模型，即线性模型。因此我先从网上找到晶体管的datasheet，从中作出它的s2p文件如下：!MGF4921AM(8/May/2011)!Condition:Freq.=2 to 6GHz, VDS=2V, ID=15mA, Ta=25deg.!Substrate:Ro4003C(er=3.55, 0.5mm)!# GHz S MA R 50!fS11S21S12S22! (GHz)Magn.AngleMagn.AngleMagn.AngleMagn.Angle20.851-61.96.821126.70.06655.40.313-54.22.20.826-68.46.756121.70.07252.50.308-58.82.40.804-74.06.578117.20.07749.70.298-63.92.60.789-78.56.248113.40.08246.30.292-70.92.80.762-84.76.160108.70.08544.50.270-74.730.734-91.76.063103.80.09041.90.262-80.63.20.716-96.85.857100.00.09439.40.255-85.93.40.701-102.05.66196.20.09736.60.246-92.53.60.677-107.85.54491.90.10034.80.231-97.33.80.657-113.25.39788.00.10432.70.223-101.940.643-118.75.24484.20.10730.50.217-107.54.20.629-123.85.07680.70.10928.20.210-113.84.40.612-129.24.96576.80.11226.50.198-119.44.60.599-134.54.82673.20.11524.60.194-124.84.80.587-139.94.69269.70.11722.60.190-130.750.578-144.64.55766.40.11920.70.185-136.95.20.570-149.64.43563.00.12219.00.180-143.55.40.561-155.04.32659.60.12417.10.178-149.45.60.554-159.84.20756.40.12615.40.175-154.75.80.549-164.84.09653.20.12813.60.175-161.760.543-169.93.99349.90.13011.90.177-167.5! Noise params20.330.79712.70.202.20.330.77215.30.192.40.350.74718.20.192.60.330.72221.10.182.80.320.69824.30.1730.340.67427.70.163.20.360.65231.30.163.40.310.63035.10.153.60.320.61039.00.143.80.320.59243.20.1340.350.57647.50.134.20.340.56152.00.124.40.350.54956.60.124.60.360.53961.50.114.80.340.53266.40.1050.350.52871.60.105.20.330.52776.80.095.40.360.52982.30.095.60.370.53587.90.085.80.360.54593.60.0760.380.55999.40.07将此文件加载到AWR软件的Data Files中，然后从Elements中的子电路中调出相应元件，并把改成FET模型。然后就是做第一级放大器的偏置电路，其中要考虑电路的稳定性，如下图所示图2 第一级的偏置电路其中的电阻是起稳定作用的。下面是做输入输出匹配，做输入匹配时，要从软件中算出噪声系数最小时的Gsopt ，用此值作出的匹配电路如下：图3 第一级输入匹配电路输出匹配电路实现的是共轭匹配，如下：图4 第一级输出匹配电路第一级整体电路的仿真图5 第一级放大器电路第一级放大器的S11和S21仿真结果如下图图6 第一级放大器的S11和S21第二级放大器跟第一级电路一样偏置也加入了稳定电阻，输入输出共轭匹配。以下各图分别为第二级放大器的偏置电路和输入输出匹配电路。图7 第二级放大器的输入匹配图8 第二级放大器的输出匹配图9 第二级放大器的偏置第二级放大器的整体电路如下图：图10 第二级放大器电路第二级放大器的S21仿真结果如下：图11 第二级放大器的S21仿真结果第二级放大器做完后，就是将两级电路级联仿真，并且对级联后的电路进行EM仿真，此时使用了MWO软件的EXTRACT，对电路的匹配部分做电磁仿真，如下图所示：EXTRACT ID=EX1EM_Doc="EM_Extract_Doc" Name="EM_Extract" Simulator=AXIEM X_Cell_Size=1 mm Y_Cell_Size=1 mm STACKUP=""Override_Options=Yes Hierarchy=Off SweepVar_Names=""STACKUPName=SUB2MLINCHIPCAP ID=C5 C=47 pFCHIPCAPCHIPCAPCHIPCAP ID=C2MLINMBENDA ID=TL34 W=0.6 mm ANG=90 DegMBENDAMLIN ID=TL38 W=0.6 mmCHIPCAP ID=C11 C=47 pF Q=605FQ=0.15 GHzCHIPCAP ID=C8 C=100 pFID=TL32Q=605ID=C14ID=C13C=10 pFID=TL35ID=TL37L=1 mmFR=1.436 GHz Q=376.1MBENDAW=0.6 mmFQ=0.15 GHzC=100 pFC=100 pFQ=267.6W=0.6 mmW=0.6 mmALPH=-1FQ=0.15 GHzMBENDAID=TL30L=3.593 mmFR=1.436 GHz Q=376.1Q=376.1FQ=0.5 GHzL=2 mmANG=90 DegTolerance=47pF 1 % FR=0.9999 GHzID=TL28W=0.6 mmALPH=-1FQ=0.15 GHzFQ=0.15 GHz FR=3.018 GHzALPH=-1W=0.6 mmANG=90 DegTolerance=47pF 1 % FR=0.9999 GHzFR=0.9999 GHz ALPH=-1MLINCHIPCAP ID=C15 C=100 pF Q=376.1 FQ=0.15 GHzFR=0.9999 GHz ALPH=-1CHIPCAP ID=C1 C=47 pF Q=605FQ=0.15 GHz FR=1.436 GHz ALPH=-1Tolerance=47pF 1 %MLIN ID=TL29 W=0.6 mm L=3.7 mmANG=90 DegMLIN ID=TL26 W=0.6 mmL=2 mmMLIN ID=TL31 W=0.6 mmL=2 mmMLIN ID=TL8CHIPCAP ID=C4 C=10 pF Q=267.6FQ=0.5 GHz FR=3.018 GHzALPH=-1ALPH=-1Tolerance=10pF 1 %CHIPCAP ID=C7 C=47 pF Q=605FQ=0.15 GHz FR=1.436 GHzMLIN ID=TL33 W=0.6 mmL=2 mmMLINID=TL36 W=0.6 mmL=2 mmMLIN ID=TL20 W=0.6 mm L=13.2 mmMCROSSCHIPCAP ID=C9 C=10 pF Q=267.6FQ=0.5 GHz FR=3.018 GHz ALPH=-1Tolerance=10pF 1 %MSUB Er=3.38 H=0.5 mm T=0.035 mm Rho=0.7 Tand=0.0029 ErNom=3.55 Name=SUB1MLIN ID=TL1 W=0.6 mm L=13.2 mmCHIPCAP ID=C3 C=10 pF Q=267.6FQ=0.5 GHzFR=3.018 GHz ALPH=-1Tolerance=10pF 1 % MLINRESW=0.6 mm ALPH=-1L=13.2 mm Tolerance=10pF 1 %MCROSS ID=TL27 W1=1.1 mm W2=0.6 mm W3=1.1 mm W4=1.1 mmMLINMTEE ID=TL12MLINCHIPCAP ID=C6 C=0.7 pF Q=1417 FQ=0.5 GHzMLINALPH=-1Tolerance=47pF 1 %MTEE ID=TL25MLINID=TL18 W=0.6 mm L=13.2 mmSUBCKTMLIN ID=TL23 W=1.1 mm L=1.1 mmRES ID=R3 R=39 OhmMLIN ID=TL21 W=1.1 mmL=13 mmID=TL9 W1=1.1 mm W2=0.6 mm W3=1.1 mm W4=1.1 mm21 3MLIN ID=TL17 W=1.1 mm L=10.9 mmCHIPCAP ID=C12 C=1.3 pF Q=964.8 FQ=0.5 GHz FR=8.03 GHz ALPH=-1Tolerance=1.3pF +/- 0.1pFMLIN ID=TL40 W=1.1 mmL=7 mmPORTMLIN ID=TL39CHIPCAP ID=C10 C=1.2 pF Q=1014 FQ=0.5 GHzMLIN ID=TL6MTEE ID=TL5 W1=1.1 mmMLIN ID=TL3SUBCKT ID=S1ID=TL7 W=1.1 mm L=1.1 mm2ID=R2 R=30 Ohm12ID=TL11W=1.1 mm L=6.1 mm3W1=1.1 mm W2=1.1 mm W3=1.1 mmID=TL14 W=1.1 mm L=7.4 mmFR=10.81 GHz ALPH=-1Tolerance=0.7pF +/- 0.1pFID=TL22 W=1.1 mm L=6.1 mmW1=1.1 mm W2=1.1 mm W3=1.1 mmID=TL19 W=1.1 mm L=5.1 mmID=S22NET="mgf4921am_sp_vd2id15_080516"32 1 14MLEFPORT P=2Z=50 OhmP=1Z=50 OhmW=1.1 mmL=7 mmFR=8.344 GHzALPH=-1Tolerance=1.2pF +/- 0.1pFW=1.1 mm L=9.4 mmW2=1.1 mm W3=1.1 mm1 23MLEF ID=TL4 W=1.1 mm L=8.6 mmW=1.1 mm L=7.4 mm32 1MTEE ID=TL2 W1=1.1 mm W2=1.1 mm W3=0.6 mmNET="mgf4921am_sp_vd2id15_080516"134MLEF ID=TL10 W=1.1 mm L=7.3 mm31 2MLEF ID=TL13 W=1.1 mmL=2 mm31 2MLEF ID=TL15 W=1.1 mm L=5.1 mmMTEE ID=TL24W1=1.1 mm3W2=1.1 mm W3=0.6 mmID=TL16 W=1.1 mm L=7.4 mm图12 两级级联结构电磁分析部分如图：9213846 75图13 电磁分析部分结构使用电磁分析控件对以上结构进行剖分分析：图14 电磁剖分结果由图中可见，在进行网格剖分时，不仅是对信号走线进行了剖分，而且对周围的地和过孔都进行了剖分，这样有利于真实的模拟实际情况，可以充分分析电路之间的耦合，优于单纯依靠微带的解析形式模型设计电路的方法。在进行EM仿真时，剖分网格单元的大小，影响了仿真的精度和速度，在咨询了AWR应用工程师后，了解到通常的单元设置在分析电路的最小线宽的1/3到1/5之间。在应用工程师指导下，学习了 MWO中一种简化仿真过程的规则，使用此规则可以简化对过孔的分析，尤其是在分析 GCPW时，可以将CPW导带两边的接地孔简化为接地墙，这样大大的简化了剖分和电磁计算的过程。一下是使用简化规则和未使用的比较：图15 使用简化规则的剖分结果图 16 未采用简化规则的 EM 仿真信息图17 使用简化规则的EM仿真信息图16和图17的比较可知，简化后位置参量和仿真时间都有所减少，仿真结果没有影响，但是这种简化只是使用于对于过孔没有要求的场合的仿真，对于SIW结果的器件采用这种规则，仿真出的结果和实际情况相差甚远。考虑到高阻抗线后接的电容的自谐振频率问题，所以将它们都用扇形电容来代替，然后进行仿真优化。以下为整体的电路图：图18 两级级联电路由图可见此时的漏极偏置位置挪到了电阻后边，这是考虑到稳定后采取的措施，另外分别在输入输出端分别又加了一段50欧姆微带，以便用于焊接SMA测试接头。优化电路稳定性的仿真结果如下：图19 稳定性仿真可以看出在2-6GHz（由于s2p文件中只有这个频段），电路是稳定的。优化后低噪放S21和S11仿真结果：图20 LNA的S21仿真结果图21 LNA的S11和S22仿真结果由图中可以看出增益和带内平坦度都达到要求，输入端驻波比小于2，满足设计要求。然后仿真了放大器的噪声特性，结果如：图22 LNA的噪声系数仿真结果图中看出，仿真结果NF小于1.5，满足设计指标。在此仿真中的带宽为400MHz，相对带宽为11.4%。1.4 版图设计和实物1） 版图设计图23 LNA的PCB版图在版图中，加入了一个中间调试的端口，这个是方便在做测试时，判断每级放大器的工作是否正常，从而了解每级放大器的实际工作特性。另外在第二级放大器的栅极电源处采用了分压方式，这是为了在调试电路中，分别控制两个晶体管的工作电 流。在图中每个匹配支节的末端都加入了三小段调节微带，方便调试电路。2） 实物照片图片24为未加屏蔽盒盖板的LNA电路实物图片；图片25为最后进行测试的LNA电路实物图片。图24 未加盖板前的实物图图25 最后加盖测试的LNA实物图2. 测试过程、结果及分析2.1 测试环境和过程由于此次我采用的是线性模型进行的仿真，所以在仿真中未加入直流电压，但是 s2p文件中的S参数是在VD=2v，ID=15mA情况下测出的，所以在测试时，两电路中的漏极偏压都选择2v，而栅极的偏压，要经过调试才能定下来。由于此次竞赛中用的晶体管为耗尽型晶体管，所以在加偏压时，要先加栅极电 压，通过datasheet中提供的数据，我首先选择加-0.5v到栅极，然后慢慢的加漏极电压到2v。这样可以保护晶体管不被烧坏。在测试中经过反复调节两个栅极的偏压，最后两个栅极都选择在-0.3v，第二级的栅极电源旁边焊上0欧姆电阻和栅极连接。以下是测试过程的图片：图 26 测试过程2.2 测试结果和分析测试电路的S11和S21，结果如下：图27 实物测试的S11和S21结果图28 仿真LNA的S21和S11图27是在输入信号功率为-30dBm时的测试结果，可以看出增益大于25dB，平坦度小于1dB，完全达到设计要求，S11达到要求，输入驻波小于2。实物测试结果与仿真结果图28对比可知，增益大体形状二者是一样的，但实物测试结果的增益比仿真稍微大了点，分析：在焊接电路时，对第二级放大器的稳定性电阻进行了调整，稍稍比仿真是小了点，这个可能导致最后实物测试的增益大了点。平坦度，实物比结果要好，是因为仿真中平坦度没有达到要求，在测试时，我对稳定电阻和两级级联的电容以及匹配支节做了调整，如利用版图中的微调短截线调节输入端的匹配，使平坦度小于 1dB。实物测试的S11也达到要求，但是没有仿真的好，分析：上面提到，调试时对匹配电容进行了调整，所以导致S11和仿真结果差点，还有个原因就是实际买到的贴片电容和仿真中用的有差别，另外在焊接时，电焊笔的高温会使电容介质损害，导致容值和原来有差别。接下来测试了LNA的噪声系数，测试结果如下：图29 实物测试噪声系数的结果图30 实物测试噪声系数结果列表从图中可以看出，实物测试结果达到设计要求，噪声系数：1.066dB3.28GHz，1.172dB3.52GHz，1.308dB3.72GHz。下面测试了LNA的1dB压缩点，调节信号源，使之输出3.5GHz的信号，然后连接到LNA的输入端，输出端连接到频谱仪，测试结果如下表（包括信号线损）：输入信号功率（dBm）输出信号功率（dBm）增益（dB）-203.3123.31-194.2423.24-185.1523.15-176.0223.02-166.9422.94-157.6822.68-148.2822.28-138.721.7-129.0221.02-119.2820.28-109.4719.47表1 1dB压缩点的测试由表中看出，1dB压缩点出现在输入信号为-14dBm时。所以刚开始测试输入信号为-10dBm，测试出的S21过小，是增益压缩的原因。最后，对LNA的线性度进行了测试，以下是三阶互调的测试：图31 LNA三阶互调测试结果由图看出，三阶互调量跟双音信号相差29.2dBc。3. 总结通过这次设计，掌握了MWO基本的设计流程，体会到MWO软件在有源电路设计方面的绝对优势，这对今后工作学习有很大帮助。学习了MWO中EXTRACT的使用，掌握了如何准确地设计有源电路，领会到EXTRACT进行电磁仿真的方便，免去了自己生成版图，在进行电磁参数提取的不便，对提高设计速度有很大帮助。另外，在仿真同时，MWO方便版图设计也同样缩短设计时间，省去了再使用protel软件布板图的过程，很有点像流线作业的过程。设计中的不足是，未使用MWO的harmonic balance功能对电路的非线性特性进行仿真，这是由于此次使用的晶体管只有S2P文件，此文件只是小信号线性数据，无法进行非线性分析。致谢非常感谢AWR公司给予我这次很好的设计锻炼机会，感谢Francis、李玉福先生精彩的MWO软件使用培训报告，Francis先生耐心仔细地介绍了MWO软件的使用，讲解了MWO基本控件的使用及其原理，并且热心地回答同学们提出的问题，使我对WMO有了初步的了解。在接下来的设计过程中，特别要感谢李玉福工程师，他不厌其烦地回答了我在软件使用上的各种问题，认真讲解和分析仿真中出现的问题，让我领会到 MWO在设计有源电路上的优势，在他的指导下，我顺利地完成了LNA的设计仿真工作。同时，我要感谢东南大学毫米波国家重点实验室，给我提供试验和测试平台，最后感谢我们课题组的全体成员长期以来给予我的帮助和支持。参考文献1 李智群，王志功.2008.射频集成电路与系统. 北京：科学出版社2 田庆诚 . RF Amplifier Design，中华大学电机系课件3 David M Pozar .2009.Microwave Engineering.北京：电子工业出版社作者简介
