应用Microwave Office 软件设计平衡式低噪声放大器

应用MicrowaveOffice设计平衡式低噪声放大器摘要: 本文主要介绍了X波段平衡式低噪声放大器的仿真、设计与测量。首先是确定低噪声放大器的各项指标，根据指标进行选择放大器晶体管为MGF4941AL及介质板材料ROGERS公司的RO4003C。利用MWO软件进行低噪声放大器的仿真优化，对于MWO的仿真过程本文将进行详细介绍。最后进行实物制作和测量，并将测量结果与仿真结果对比，分析差异和存在的问题，从测量结果中分析设计中存在的问题及改进方案。关键字：X波段；低噪声放大器；MWO目录1MicrowaveOffice简介 12指标与选型 22.1设计指标： 22.2板材的选型： 22.3低噪声放大器晶体管选型 33仿真设计 33.1稳定性分析 43.2匹配网络设计 103.3单支放大电路的设计 263.43dB电桥的设计 283.5平衡结构的设计与仿真 314实物制作与测量 334.1实物制作 334.2参数测量 344.2.1S参数的测量 344.2.2噪声系数的测量 354.2.3测量结果分析 36

1MicrowaveOffice简介AWRCorporation，全球射频/微波EDA软件的创新领跑者，其产品包括MicrowaveOffice™,VisualSystemSimulator™,AXIEM®和AnalogOffice®和Analyst®。2011版本通过向客户提供了新特性并在功能方面进行增强，从而减少了高频MMIC,MIC,RFIC,RF印刷电路板和模块设计者的等待时间并大大提高了其设计效率。以下为各模块的功能：MicrowaveOffice™：微波电路，单片微波集成电路设计工具。VisualSystemSimulator™：系统仿真AXIEM®：3维平面电磁场仿真Analyst®：3维任意结构有限元方法电磁仿真 MicrowaveOffice，是AWR公司推出的微波EDA软件，为微波平面电路设计提供了最完整,最快速和最精确的解答。 MicrowaveOffice提供了无与伦比的用户体验，它无缝整合了业界最强大的创新的工具使得用户可以在最短的时间内以最大的灵活性把您的设计转变为现实。从电路图设计，综合到仿真，优化，版图，提取以及验证，MicrowaveOffice设计环境都能展示最准确的结果，最快的速度，提供与第三方工具的进行无缝整合的能力。Microwaveoffice的特点：1.处理大规模与强非线性电路的APLAC射频谐波平衡仿真器2.APLAC高性能求解器：包含与瞬态求解器进行协作的谐波平衡分析，3.多速率谐波平衡分析，和瞬态/时域仿真4.对互连线进行建模的自动电路提取技术（ACE)5.对预先设计提供快速电磁仿真的AXIEM平面三维电磁分析工具6.支持多种T&M非线性模型7.智能网络(iNets)射频互连模拟与分析工具8.多PDK技术可对集成电路（IC），封装（PACKAGE）9.和印刷电路板(PCB)进行同时仿真10.通过电磁接口使用获得专利的Xmodels模型11.支持多核电脑的AXIEM12.利用电磁接口对第三方工具实现整合,如CST,ZELAND,SONNET等13.可利用ERC/DRC/LVS工具，如Calibre和ICED14.与VisualSystemSimulator设计套装实现无缝整合2指标与选型2.1设计指标：（1）中心频率10.5GHz，带宽200MHz；（2）增益大于20dB；（3）噪声系数小于1.2dB；（4）输入驻波比小于1.5；（5）增益平坦度小于1dB。2.2板材的选型：出于对成本及性能的折中，决定采用ROGERS公司的RO4003C板材，板厚0.508mm(20mil)，其10GHz处的损耗角为0.0029。查阅ROGERS公司相关技术手册，对介质损耗经行前期评估。虽然厂商没有给出RO4003C板材在0.508mm厚度情况下的准确损耗情况，但可估算其在10GHz处每英寸损耗约为0.176dB。当频率达到10GHz时，对于噪声系数为0.5dB的晶体管，如果版图在信号传输方向的长度为2英寸（5.08cm），则其整体NF将达到0.852dB（不包含高次模的模式转换损耗），可以满足要求。2.3低噪声放大器晶体管选型 综合考虑可获得性、基本性能及设计资源后，放大器晶体管采用MitsubishiElectric的MGF4941AL。该放大器晶体管基本性能和偏置在VDS=2V，ID=10mA的S参数如图所示。MGF4941AL在10GHz时，单级可以提供12dB以上增益，同时0.5dB量级的噪声系数也可以满足设计要求。3仿真设计 单级晶体管的增益比较小，约为12dB，为了实现高的增益必须采用级联结构，第一级采用最小噪声匹配设计，为了改善驻波和调试的方便，采用平衡结构。3.1稳定性分析对MGF4941AL的S2P进行宽频带的S参数仿真，了解其增益与稳定性情况,仿真的原理图及结果如图3.1所示。工程选项设置，点击Options菜单>ProjectOptions:频率设置如下，点击Apply，点击OK全局单位设置如下：右键点击Project选项卡下的DataFiles节点，在弹出菜单中选择ImportDataFiles，导入mgf4941al的S参数。右键点击Project选项卡下的CircuitSchematics节点>NewSchematic，新建名为1_Stability的原理图，点击Draw菜单>AddSubcircuit，应用快捷键CTRL+P插入端口，如下图所示：右键点击Project选项卡下的Graphs节点，在弹出菜单中选择NewGraph,如下图所示，建立图表：1_Stability工作区中出现一个图表窗口：在工作图表中，右键点击，在弹出菜单中选择AddNewMeasurement，如下图所示，添加稳定性因子测试量：再次右键点击此图表，添加S21测试量，如下图所示：在仿真之前，可以设置单个原理图的频率（上面设置了工程频率），右键点击1_Stability>Options,设置如下(用以查看所有频率的稳定性因子和S21)，点击Apply点击仿真按钮，稳定性因子K和S21仿真结果如下图所示，可右键点击曲线，在弹出菜单中选择AddMarker，添加标注.可右键点击工作区中的图表，选择Properties，设置图表格式。上述仿真结果，一方面说明的增益的可实现性，另一方面也指出MGF4941AL与大多数射频微波晶体管一样，在低频段稳定性比较差，需要通过外围电路来增强稳定性。(上述所有内容对应的工程，可查看工程BALANCE_LNA_11.emp)3.2匹配网络设计 使用微带线对第一级放大器输入端进行最小噪声匹配，并在AWR中进行优化 。右键点击Project选项卡下的CircuitSchematics节点>NewSchematic，新建原理图2_Match匹配电路如图所示：匹配电路的建立过程中，所注意事项：两个电容都是MURATA公司的GRM1555C1HR50BA01：在连网的状态下，点击ELEMENTS选项卡，点击XLIBRARIES节点>XAWRWEBSITE，展开Murata选项卡>Capacitors>GeneralPurpose>SIZE(1005MM,0402INCH)>C0G,在下面的窗口中，选择电容，将其拖到原理图中即可（若电脑未连网，可以安装本地库，请查看“参考资料”文件夹）晶体管的S参数，可以应用菜单Draw>AddSubcircuit变量W1可以通过菜单Draw>AddEquation添加。新建图表2_Match，添加如下几个测试量：S11:S21:K:NF:右键点击新建的图表>Properties，如下图所示，先选择Left1，再点击Addaxis，添加另一条纵坐标轴：添加纵坐标轴后，如下进行设置按下仿真，结果如下所示：并利用Optimization进行优化，右键点击Project选项卡下的OptimizerGoals,在弹出菜单中选择AddOptimizergoal，设置如下所示：NF的优化设置：S11的优化设置：K值的优化设置：设置完成后，OptimizerGoals的显示如下：点击菜单Simulate>Optimize进行优化，如下图所示，点击Start:优化完成后的仿真结果如下：上述所有工程文件可以查看BALANCE_LNA_21.emp文件接着对匹配电路进行电磁仿真，在进行电磁仿真之前，需要正确设置版图连接，并按自己的需求排列版图：第一步就要绘制晶体管的封装，请查看“参考资料”文件夹下的“封装绘制”教程，或者导入此文件夹下的MGF4941AL_Layout.gds（到Layout选项卡下，右键点击CellLibraries>ImportCellLibraries）第二步是给晶体管分配封装，右键点击2_Match原理图中的SUBCKT元件>Properties,设置如下：右键点击Project选项卡下的2_Match节点>ViewLayout，打开版图，可以看到此时的版图是乱的，在版图中，调整各版图的位置，直至版图如下所示：回到2_match原理图中，点击菜单Scripts>EM>Createstackup，添加电磁介质定义：按下SHIFT键，左键点击下面显示为红色的元件，选择多个元件，选择完成后，在任一红色元件上点击右键，设置如下：其中原理图中EXTRACT模块设置如下：按下仿真，此时在2_match测试图表中的结果即为电路电磁联合仿真结果（若只想查看电路仿真结果，只需要在EXTRACT模块上面点击右键，选择ToggleEnable，将其禁止使用即可）：此项操作的目的是将选中的元件提取到外面（Project选项卡下的EMStrucures节点下）进行平面电磁仿真，仿真后，会自动添加端口等电磁仿真所需的设置：电磁电路联合仿真的结果如下：以上工程，可以查看BALANCE_LNA_27.emp工程3.3单支放大电路的设计 新建电路原理图3_match，根据3.2节的单管放大电路，进行两级级联的放大电路的仿真原理图和仿真结果如图所示。新建图表3_Match，添加测试量如下： 接着进行单支放大电路的EM仿真，将EXTRACT控件ToggleEnable，并选中所有微带电路AddExtraction,在EMStructure中我们得到EM_Extract_4SingleBranch文件如图所示。电磁电路联合仿真结果如下：上述所有电路工程可看BALANCE_LNA_29.emp工程3.43dB电桥的设计 3dB电桥的结构图如下图所示，先进行原理图仿真，利用Tuner对电桥的关键参数进行调谐（对于如何调谐，请查看“参考资料”文件夹下的“滤波器设计调谐优化”文档）对最终结果进行EM仿真进行验证。新建原理图4_Coupler，如下所示新建图表4_Coupler，添加测试量如下： AXIEM仿真，其仿真结果下图所示。以上工程可以查看BALANCE_LNA_32.emp工程3.5平衡结构的设计与仿真首先双击Project选项卡下的Wizards>AWRSymbolGeneratorWizard，设置如下所示，将耦合器的形状存成一个符号：点击Project选项卡下的CircuitSymbols，可查看生成的符号：新建原理图5_DoubleBranch，以子电路的形式插入耦合器，在此耦合器上面点击右键，选择Properties，设置如下所示：利用3dB电桥将两支放大电路连接成为平衡结构，其原理图如图3.19，其中电桥与单支放大结构之间级联的微带线类型为MCTRACE，便于版图的设计，在layout中类型为MTRACE的微带线弯折为合适的连接线，过程和最终的版图如下所示。最终进行最后的电磁仿真，注意EXTRACT模块的Name参数设置：整体电路的电磁电路联合仿真如下：上述所有工程可以查看BALANCE_LNA_35.emp工程4实物制作与测量4.1实物制作 图4.1平衡放大器的实物图4.2参数测量 将焊接好的低噪声放大器上电，使用+3.3V和-3.3V两路直流电源供电，并记录电源状态，电源显示电压3.3V，电流40mA。平衡式放大器的每个管子偏置电压2V，电流10mA，四个管子电流为40mA。偏置电路正常供电。 将低噪声放大器输入端接匹配负载，输出端接频谱分析仪，频谱分析仪无自激信号，低噪放正常工作。4.2.1S参数的测量 使用R&S公司的矢量网络分析仪ZVA40测量S参数，测试框图如下图所示。测试结果如下所示：4.2.2噪声系数的测量 使用R&S公司的信号源分析仪FSUP测量噪声系数，测试框图如图4.4所示。其中低噪声放大器输出端连接线在10GHz处线损有1.5dB。FSUP使用Y因子法测量噪声系数,具体测量原理如下:（1）超噪比ENR：是物理温度，可由ENR计算。 （2-1） （2-2）（2）Y系数：连接噪声源到DUT，测量噪声源两种状态下（on和off）时DUT的输出功率，两种功率之比称为Y系数。也可表示为dB数。或（2-3）（3）校准：校准这一步没有DUT，进行Y系数测量（F2） 或 （2-4）（4）利用DUT测量：插入DUT，重复Y系数的测量（F12）。或（2-5）（5）计算增益：（2-6） （6）第二级修正：现已测得T2，T12和G1，则有：（2-7）信号源分析仪可以多种方式显示测量结果：噪声温度T1（单位是K）和噪声系数NF（dB）。10.540GHz10.540GHz1.467dB135.706K21.647dB10.550GHz1.443dB133.356K21.697dB10.560GHz1.446dB133.656K21.662dB10.570GHz1.456dB134.656K21.566dB10.580GHz1.453dB134.322K21.511dB10.590GHz1.481dB137.092K21.394dB10.600GHz1.443dB133.392K21.313dBFrequencyListResultsRFNFNoiseTempGain10.400GHz1.518dB140.710K21.271dB10.410GHz1.488dB137.771K21.245dB10.420GHz1.512dB140.114K21.351dB10.430GHz1.487dB137.686K21.357dB10.440GHz1.503dB139.259K21.409dB10.450GHz1.483