AWR+MWO软件进行低噪声放大器设计

低噪声放大器设计Students’s摘要本次设计使用AWRMWO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，带宽为目录TOC\o"1-2"\h\z\u摘 设计、仿真和电路实 设计指 设计方法简 仿真过程和结 版图设计和实 测试过程、结果及分 测试环境和过 测试结果和分 总 致 参考文 作者简 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。设计指标设计方法简述FNoutNout图1 FF2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。仿真过程和结果本次设计中，提供的晶体管是MGF4921M，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： Freq.=2to6GHz,VDS=2V,ID=15mA, Ro4003C(er=3.55,#GHzSMAR ! ------------------------------------------!Noise将此文件加载到AWR软件的DataFiles中，然后从s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sopt，用此值作出的匹配电路如下：图3图4图5第一级放大器的S11和S21图6第一级放大器的S11和图7图8图9图10第二级放大器的S21图11第二级放大器的S21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

图126图13图14图1516EM图17使用简化规则的EM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图18图19图20LNA的S21图21LNA的S11和S22图22LNA版图设计和实物图23LNA的PCB图24图25最后加盖测试的LNA测试过程、结果及分析测试环境和过程26测试结果和分析测试电路的S11和S21图27实物测试的S11和S21图28仿真LNA的S21和图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图29图301.172dB@3.52GHz，1.308dB@3.72GHz下面测试了A的1dB压缩点，调节信号源，使之输出3.5GHz的信号，然后连接到A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）：增益-----------表11dB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。图31LNA由图看出，三阶互调量跟双音信号相差29.2dBc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harmonicbalance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s、李玉福先生精彩的MWO软件使用培训报告，s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WO在设计有源电路上的优势，在他的指导下，我顺利地完成了A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