低噪声放大器的设计制作与调试.doc

微 波 电 路 CAD

射频实验报告

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实验一 低噪声放大器设计制作及调试
一、实验目
（一）了解低噪声放大器工作原理及设计方法。
（二）学习使用ADS软件进行微波有源电路设计，优化，仿真。
（三）掌握低噪声放大器制作及调试方法。
二、实验内容
（一）了解微波低噪声放大器工作原理。
（二）使用ADS软件设计一个低噪声放大器，并对其参数进行优化、仿真。
（三）根据软件设计结果绘制电路版图，并加工成电路板。
（四）对加工好电路进行调试，使其满足设计要求。
三、实验步骤及实验结果
（一）晶体管直流工作点扫描
1、启动软件后建立新工程文件并打开原理图设计窗口。
2、选择File——New Design…进入下面对话框；
3、在下面选择BJT_curve_tracer，在上面给新建Design命名，这里命名为BJT Curve；
4、在新Design中，会有系统预先设置好组件和控件；
5、如何在Design中加入晶体管；点击，打开元件库；
6、选择需要晶体管，可以点击查询；
7、对41511查询结果如下，可以看到里面有这种晶体管不同模型；
8、以sp为开头是S参数模型，这种模型不能用来做直流工作点扫描；
9、选择pb开头模型，切换到Design窗口，放入晶体管，按Esc键终止当前操作。
10对41511查询结果如下，可以看到里面有这种晶体管不同模型
11、以sp为开头是S参数模型，这种模型不能用来做直流工作点扫描
12、选择pb开头模型，切换到Design窗口，放入晶体管，按Esc键终止当前操作。

图1 BJT Curve仿真原理图
13、按Simulate键，开始仿真，这时会弹出一个窗口，该窗口会现实仿真或者优化过程信息。如果出现错误，里面会给出出错信息，应该注意查看。
14、仿真结束，弹出结果窗口，如下页图。注意关闭时候要保存为适宜名字。另外图中Marker是可以用鼠标拖动。由于采用是ADS设计模板，所以这里数据显示都已经设置好了。一般情况下，数据显示需要人为自行设置。

图2 典型仿真结果图
（二）晶体管S参数扫描
1、选定晶体管直流工作点后，可以进行晶体管S参数扫描，本节中选用是S参数模型sp_hp_AT-41511_2_19950125，这一模型对应工作点为Vce=2.7V、Ic=5mA；
2、选择File à New Design…进入下面对话框，在下面选择S-Params，在上面命名，为SP_of_spmod；
3、然后新Design文件生成，窗口如下：

图3 S参数仿真模型
4、同上面对应操作，加入sp模型晶体管，并连接电路如图。地设置按上面键即可调入。图中Term也是在仿真中要经常用到组件，用以表示连接特征阻抗端口。
由于sp模型本身已经对应于一个确定直流工作点，因此在做S参数扫描时候无需加入直流偏置。
5、观察sp模型晶体管参数显示，在此例中，标定频率适用范围为0.1~5.1GHz，在仿真时候要注意。超出此范围，虽然软件可以根据插值等方法外推除电路特性，但是由于模型已经失效，得到数据通常是不可置信。
6、在本例中，要在控件中作相应修改。
7、修改好之后，点击按键，进行仿真，弹出数据输出窗口，数据输出窗口如图所示，图中以不同形式显示输出S参数。如图可见，晶体管输入匹配并不好。

图4 输出S参数
（三）SP模型仿真设计
构建原理图：很多时候，在对封装模型进行仿真设计前，通过预先对sp模型进行仿真，可以获得电路大概指标。sp模型设计，通常被作为电路设计初级阶段。
1、本节首先设计sp_hp_AT-41511_2_19950125在2GHz处输入、输出匹配。
2、建立新工程文件，命名为spmod_LNA，在左侧选择S参数仿真工具栏
在库中选出晶体管 ，放置在原理图窗口点击，放置Term1，Term2两个端口点击，设置接地点击，放置输入阻抗测试控件点击 ，放置S参数扫描控件修改S参数扫描控件设置为需要值连接电路如下页图所示：

图5 连接好电路图
测试输入阻抗仿真，在数据输出窗口观察输入阻抗由列表中可得到2GHz点输入阻抗为：20.083/19.829，换算为实/虚部形式18.89＋j*6.81。
图6 输入阻抗表 图7 修改MSub值
输入匹配设计：在MSub中，修改参数为需要值，如图7所示
下面使用ADS综合工具，综合出匹配网络。双击 进行参数编辑，频率设置为2GHz，Zin设置为需要匹配目标值50，Zload设为前面仿真得到晶体管输入阻抗。
选定在原理图窗口最上一行，选择
后，弹出窗口如图

选择，综合完毕后，即可生成适合匹配网络，匹配网络生成后，点击，进入匹配网络子电路，如图8所示。

图8 匹配电路图

图9 S参数仿真结果

图10输入阻抗、稳定系数、噪声系数仿真结果
由以上仿真结果可见，基本上电路已经达到了比较好性能，如：良好输入匹配、较高增益、稳定系数和噪声系数都比较好。另一方面，输出匹配还不太好，电路增益也可能进一步提高。以下进行输出匹配设计，需要说明几点：
实际上，输出匹配设计同输入匹配一样，可以采用先计算输出阻抗再由软件综合生成；
在下面设计中采用方法并不是合适方法，仅是为了介绍优化工具使用，请注意。
对于输出及也使用单分支线结构进行匹配选择，点击微带线工具 和T形接头工具，连接电路如图，元件方向可以按调整。

需要对微带和接头参数进行调整
由输入匹配设计，可知输入匹配网络线宽为1.558mm（当然，实际制作电路时候，不可能达到这样精度），根据综合时设置，这个宽度实际上就是50欧姆特征阻抗对应线宽。因此，在输出匹配电路中，将所有宽度设置为此宽度。如图。

优化工具栏为点击，加入优化控件点击，加入优化目标控件，设置优化目标，在2GHz附近降低S(2,2)，同时2GHz附近S(1,1)保持尽量小，由于是在当前两个目标是在2GHz附近，故相应参数设为”SP2”。

图11优化前电路图
点击，开始优化。优化结束后，选择Simulate工具中更新数据选项更新优化后电路参数。使用将优化控件关闭（用于激活对象），再点击重新仿真即可得到优化后电路特性。经过一次随机优化S参数如图

图12 一次随机优化S参数如图
可见S(2,2)有了很大改善，但同时S(1,1)恶化了。
反复调整优化方法、优化目标中权重Weight，还可以对输入匹配网络进行优化，最终得到合适结果。将噪声系数、放大器增益、稳定系数都加入优化目标中进行优化，并通过对带内放大器增益限制来满足增益平坦度指标，最终达到各个要求指标。如果电路稳定系数变得很小(低于0.9)，难以达到优化目标，或者S(1,1)值在整个频带内某些频点在0dB以上，则需要加入负反馈，改善放大器稳定性。对部分电路指标优化可能导致其它某些指标恶化，可以根据需要增加一些优化变量。

图13 整个实验原理图

图14 整个实验优化结果
四、实验心得
通过本次实验，让我了解低噪声放大器工作原理及设计方法。使我了解了ADS软件设计低噪声放大器流程和方法以及相关元件库文件和元件库使用。学习熟悉了使用ADS软件进行微波有源电路设计，优化，仿真全过程。实验二 压控振荡器VCO设计
一、实验目
（一）了解压控振荡器VCO原理和设计方法
（二）学习使用ADS软件进行VCO设计，优化和仿真。
二、实验内容
（一）了解振荡器主要技术指标
（二）使用ADS软件设计一个VCO，并对其参数进行优化、仿真。
（三）观察不同参数对VCO工作影响
三、实验步骤及实验结果
1、启动ADS进入如下界面
2、点击File->New Project设置工程文件名称（本例中为Oscillator）及存储路径工程文件创建完毕后主窗口，同时原理图设计窗口打开。
3、设计振荡器这种有源器件，第一步要做就是管子选取，设计前必须根据自己指标确定管子参数 ，选好三极管和变容二极管；第二步是根据三极管最佳噪音特性确定直流偏置电路偏置电阻；第三步是确定变容二极管VC特性，先由指标（设计振荡器频率）确定可变电容值，然后根据VC曲线确定二极管两端直流电压；第四步是进行谐波仿真，分析相位噪音，生成压控曲线，观察设计振荡器压控线性度。
4、设计指标：设计一个压控振荡器，振荡频率在1.8GHz左右。
第一步根据振荡频率确定选用三极管，因为是压控振荡器，所以还需要一个变容二极管；
第二步需要用到ADS直流仿真；
第三步通过S参数仿真确定变容二极管VC曲线；
第四步用HB模块来进行谐波仿真，计算相位噪音。
设计振荡器采用HP 公司生产AT41411 硅双极管[12]，变容二极管选MV1404。AT41411主要指标有：低噪音特性：1GHz噪音系数是1.4dB，2GHz噪音系数是1.8dB；高增益：1GHz时增益为18dB，2GHz时增益为13dB；截止频率：7GHz，有足够宽频带；1.8GHz时最佳噪音特性：Vce＝8V，Ic＝10mA；振荡器采用初始电路如下图所示，图中三极管、二极管以及电阻电容等器件在ADS器件库中均可以找到。

图1 初始振荡器电路
5、在电路原理图窗口中点击，打开Component library，按“ctrl+F1”打开搜索对话窗口；搜索器件“ph_hp_AT41411”这就是我们在该项目中用到Agilent公司晶体管；把搜索出来器件拉到电路原理图中，按“Esc”键可以取消当前动作。
选中晶体管，按可以旋转晶体管，把晶体管安放到一个合适位置。
选择probe components 类，然后在这个类里面选择L_Probe并放在适当位置，同理可以在“Sources－Time Domain”里面选择V_DC，在lumped components里面选择R。
在optim/stat/Yield/DOE类里面选择GOAL，这里需要两个，还有一个OPTIM。
在Simulation－DC里面选择一个DC。
上面器件和仿真器都按照下图放好，并连好线。
按NAME钮出现对话框后，可以输入你需要名字并在你需要电路图上面点一下，就会自动给电路节点定义名字，如下图中“Vcb”，“Veb”节点。

图2 修改后电路图
采用双电源供电方法，设置两个GOAL 来进行两个偏置电阻优化，考虑到振荡器中三极管工作状态最好是远离饱和区，还要满足三极管1.8GHz时最佳噪音特性，所以直流偏置优化目标是Ic=10mA，Vcb＝5.3V。
6、新建一个电路原理图窗口
如上面做法一个，建立如下图所示电路图，其中“Term”、“S-PARAMETE”、“PARAMETER SWEEP”都可以在“Simulation－S_Param”里面找到。变容管型号是“MV1404”可以在器件库里面找到，方法可以参考上面查找晶体管方法。

图3 建立新电路图
7、按VAR键并双击它，修改里面项目，定义一个名为：“Vbias”变量，设置Vbias＝5V作为Vbias初始值。修改电源属性，使Vdc＝Vbias。修改S参数属性，设置单点扫描频率点1.8GHz，并计算“Z参数”。修改PARAMETER SWEEP属性，要求扫描变量“Vbias”，选择Simulatuion1“SP1”，扫描范围为1－10，间隔为0.5。按“F7”进行电路仿真。
在“Date Display”按Eqn，并在对话框里编辑公式为：

在Eqn中选择C_Varactor ，得到VC曲线和表格如下：

图4 VC曲线和表格
8、利用Transient Simulation 仿真器仿真从0 到30nsec 瞬时波形， 如下图所示：

图5 电路图
注意：记得一定要添加“Vout”这个节点名称 。按“F7”开始仿真。在出来“Data Display”窗口里面，输出“Vout”瞬时波形，按，并“new”一个新“Marker”，在“Vout”瞬时波形图中，点击一下，然后移动鼠标，把“marker”移动到需要地方，就可以看到该点具体数值。 结果如下图所示：

图6 仿真结果图
按Eqn编辑公式：，这表示要对“Vout”在“Marker”m3，m4之间进行一个频率变换，这样出来“Spectrum”就是m3和m4之间频谱。 输出Spectrum图形，可以看到m3和m4之间频谱分量，加入“marker”m5就可以知道振荡器大概振荡频率，如下图：

图7 结果分析图
结果分析：
从波形可以看到，振荡器已经很稳定地振荡起来了，并且有一定振荡时间，从抽出两点m3，m4数据可以看出，该振荡波形是相当稳定，幅度差可以不必考虑，频谱纯度也较高，对m3和m4这段时域进行fs变换，可以看到振荡器振荡频率频谱，从m5标记数值可以看出，该振荡器振荡频率为1.850GHz，及设计指标1.8GHz有差距，需要进行调整。
利用ADS里面 HB simulation可以仿真振荡器相位噪音，如下图设置好HB仿真器，选择计算非线性噪音和调频噪音。

在振荡器里面加入一个Oscport器件配合使用，接在反馈网络和谐振网络之间，这是谐波平衡法仿真相位噪音需要。其中“OscPort”是在类“Simulation-HB”里面。另外，考虑到该器件频率隔离度不够高，所以可以在输出端加一个带通滤波器。如下图所示：

图8修改电路图

图9 仿真后生成谐波频率和幅度
其中，anmx是调幅噪音，单位是dBc/Hz；pnmx是相位噪音，单位是dBc/Hz 。
把控制变容管电压电源属性修改一下，“Vdc”设置为变量“Vtune”，增加一个VAR变量“Vtune” ，修改谐波平衡仿真器，这时不计算噪音，只是扫描变量“Vtune”，所以可以把最后一行“Nonlinear noise”不给予选上。新得到HB仿真器如图：

在“Date Display”里点Rectangular Plot，弹出对话框后点Advanced键，输入**..freq[1]，点击OK后生成图形如右图所示（**指是图形文件名，默认及原理图名称一致），从图中可以看到压控线性度还是可以，当Vtune＝3.75V时，振荡器输出频率为1.796GHz。

图10 优化后结果图
四、实验心得
本次实验详细介绍了用ADS设计微波振荡器过程，在设计过程中一个最大体会是ADS软件本身功能强大，但是学习入门比较困难，而且用ADS设计振荡器资料很少，实际设计时会遇到各种各样问题，多看Help是最好解决方法。帮助里面查找功能是非常强大，基本上在ADS上遇到问题都可以从帮助里面找到答案，另外ADS器件库搜索速度虽然比较慢，但还是很好用，如果有什么器件一时找不到，建议使用器件库来搜索。
设计过程中要考虑首要问题就是管子选取，设计前必须根据自己指标确定管子参数，从后来设计来看，管子选得不好是很难达到预定目标。
设计振荡器最重要是使振荡频率满足预定指标，而在这次压控振荡器设计中及振荡器频率直接相关有两个参数，一个是变容二极管偏置电压，由变容二极管VC曲线决定；另一个是振荡器反馈电感。在设计过程中经过多次调整这两个参数才能使振荡频率达到1.8GHz。
噪声分析也是振荡器设计一个重要方面。设计过程中必须明确要计算哪些噪声，并合理设置好噪声频率间隔。
在电路中加入滤波器是为了增加频率隔离度，但是此滤波器对于后来生成压控曲线影响很大。不去掉滤波器而直接仿真得到曲线并不是线性，原因是滤波器通带比压控频率范围小，而去掉滤波器后生成压控曲线线性度很好，符合VCO设计要求。
实验三 镜频抑制混频器设计
一、实验目
（一）了解微波混频器原理及其设计方法。
（二）学习使用ADS软件进行镜频抑制混频器设计，优化，仿真。
（三）掌握低噪声放大器制作及调试方法。
二、实验内容
（一）了解镜频抑制混频器工作原理。
（二）使用ADS软件设计一个微带混频器，并对其参数进行优化、仿真。
（三）根据软件设计结果绘制电路版图，并加工成电路板。
（四）对加工好电路进行调试，使其满足设计要求。
三、实验步骤及实验结果
1、启动ADS
2、选择Main windows
3、菜单－ Project，然后按照提示选择项目保存路径和输入文件名
4、点击“ok”这样就创建了一个新项目。
5、点击，新建一个电路原理图窗口，开始设计混频器。
（一）3dB定向耦合器设计

里面选择类“Tlines-Microstrip”
选择，并双击编辑其中属性，，这是微带线基板参数设置，其中各项物理含义，可以参考ADS帮助文档。
选择，这是一个微带传输线，选择，这是一个三叉口。
按照下图设计好电路图

图1 3dB耦合器
其中50 ohm传输线线宽w＝0.98mm，四分之一波长长度为10.46mm，35ohm传输线线宽为w＝1.67mm，四分之一波长长度为10.2mm。MTEE是三端口器件，有三个参数W1，W2，W3具体是有定义，可以此参考ADS帮助文档。
选择类“Simulation－S_Param”并把仿真器和“Term”拉出来放好。

图2
双击，修改里面属性，要求从3GHz到5GHz扫描。。
保存文档。按“F7”仿真。
在“DataDisplay”窗口中，按，如下图所示，看端口耦合度。

图3
结果如下图所示：

图4 输出端口间相位差
同样办法可以看到输出端口相位差、输入端口隔离度、输入端口回波损耗等。

图5 输出端口相位差

图6 输入端口回波损耗

图7 输入、输出端口隔离度
（二）低通滤波器
在类“Lumped-Components”里面选择电容，和电感，按照下图设计电路。

图8 低通滤波器电路图
加上仿真器，设计为表示从0.01GHz，扫描到4GHz。按“F7”仿真。
在出现“DataDisplay”窗口中，按，选择加入S21，仿真结果如下图所示。

图9 低通滤波器仿真结果
（三）混频器频谱分析
设计完整电路图：

图10 完整电路图
把混频器电路图分解为如下图所示8个部分，下面分别说明一下这8个部分具体情况。

图11

第一部分 第二部分
第三部分就是上面设计出来3dB定向耦合器。

第4部分 匹配电路
第5部分是晶体管，其中晶体管是使用了模型，具体操作是这样，先在类“Devices-Diodes”里面，选择，并双击修改里面属性，建立二极管模型，具体参数设计参考下图12。

图13
选择，并在相应位置把器件放好，

其中DIODE1，和DIODE2都是引用了刚才设计二极管模板“DIODEM1”。
第6部分是输出阻抗匹配电路，使用传输线做阻抗匹配，

第6部分
第7部分是低通滤波器，具体电路参考低通滤波器设计电路。
第8部分是一个“Term”，用来做输出负载。“Term”是在“Simulation S-Param”中获得。
。
第7部分
注意：第1部分是射频输入端口，端口号就是(Num)要设计为“1”；第2部分是本振输入端口，端口号要设计为“3”。这是一般用HB Simulation仿真规范要求。
（四）设置变量
在电路原理图窗口上，选择，双击，修改其属性，如下图所示。

在类“Optim/Stat/Yield/DOE”里面，选择，并双击修改其属性为

（五）配置仿真器
在类“Simulation-HB”里面选择和，先双击修改其属性，主要是把温度改为符合IEEE标准16.85度。
双击，配置谐波平衡仿真器，具体参见下图

图13

图14 图15

图16 图17 选择krylov来做噪音仿真
按“F7”进行仿真。
在出现“DataDisplay”窗口中，选择，并点击“advance”项目，在对话框里面输入“dBm(Vif)”点击“Ok”就可以显示中频输出频谱分量。

图18
仿真结果如下图所示：

选择，选择显示“ConvGain”结果如下图所示

图19

图20
（六）噪音系数仿真
在上面仿真基础上，稍微把仿真器修改一下就可以得到噪音系数仿真结果，双击，修改第二项“Sweep”

图21
表示不在对本振功率“PLO”进行扫描，其他项目不需要做任何改动。
按“F7”进行仿真。
在新出现“DataDisplay”窗口中，选择，并把nf(2)添加进去。

（七）噪声系数随RF频率变化
在上面噪音仿真基础上，做如下改动：
修改变量如下图所示：

把射频输入端功率源换成一个“Term”
。
在类“Simulation-HB”选择一个，双击修改其属性为：

图22
表示从1。0GHz扫描到6.0GHz，步长是0.1GHz。
配置仿真器，如下图所示。

图23

图24 图25

图26
按“F7”进行仿真。
在新出现“DataDisplay”窗口中，点击，并在“advance”对话框中输入“plot_vs(nf(2),HB_NOISE.RFfreq)

最后仿真结果如下图所示。

图27
（八）三阶交调系数
电路原理图不变，然后做下面修改
设置变量如下图所示：

设计输出变量，在类“Optim/Stat/Yield/DOE”里面点击，然后双击编辑属性
在类“Sources-Freq Domain”里面，选择，并把该器件放在1端口，就是射频输入端口，双击修改其属性。

仿真器配置

图28 图29

图30 图31
按“F7”进行仿真
在新出现“DataDisplay”窗口中，选择，双击，在“advance”里面加入“dBm(Vif)”， 并修改坐标最后仿真结果如下图所示，

图32
（九）功率－三阶交调系数
在上面基础上，修改下面参数变量

把仿真器中一项改掉，其他不变，就是加入了一个扫描变量

最后仿真结果是：

图33
四、实验心得
这是一个微带平衡混频器，主要是有几部分组成：3dB定向耦合器、二极管输入、输出阻抗匹配电路、两个二极管、输出低通滤波器。在这篇文章中，我们先介绍了3dB定向耦合器仿真，其中原理部分可以参考其他资料，在知道了原理后，可以利用一些小软件计算线宽。后面是介绍一个低通滤波器设计和仿真，这是比较简单，用于输出中频滤波。后面是分别设计和仿真了这个Mixer频谱、噪音、增益-本振功率曲线、射频频率-噪音系数曲线等等。整个过程中，电路原理图都是不变，改变只是端口配置、仿真器配置还有变量配置。其中有几个规律。对于用来仿真MixerHB Simulation要求1端口是射频输入端口、2端口是中频输入端口、3端口是本振输入端口。输入部分一般使用功率源，输出负载是使用“Term”。仿真器配置中，一般Freq[1]是本振频率，Freq[2]是射频频率，Order一般是要大于1或者就是变成线性电路仿真了，Sweep是加入扫描变量选项，只能扫描直接变量，表达式不能扫描，另外计算噪音时候要选上“Nolinear”，Noise[1]噪音输入频率是射频，分析频率是中频。Noise[2]选择输出节点是“Vif”。这是一般配置情况，具体可以参考上面章节。
因为这个过程中电路原理图要反复用到，也许有同学会选择直接从电路原理图中Copy(Ctrl+a；Ctrl+c；Ctrl+v)过去，事实证明，ADS这个功能有点缺陷，可能会造成器件之间连线出问题，建议不要这样处理，可以把文件先做一个备份，然后把备份名字改掉，这样方面，而且可靠。
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