基于ADS的硅锗低噪声放大器设计与优化

引言

在现代无线通信系统中，低噪声放大器(Low Noise Amplifier, LNA)作为接收机前端的关键模块，其性能直接影响系统灵敏度。根据Friis公式[1]：

$$F_{total} = F_1 + \frac{F_2-1}{G_1} + \cdots + \frac{F_n-1}{G_1G_2\cdots G_{n-1}}$$

首级LNA的噪声系数$F_1$和增益$G_1$对系统总噪声起决定性作用。本文基于NXP BFU730F硅锗异质结双极晶体管(SiGe HBT)，针对1.8GHz LTE频段，通过系统化的ADS设计流程实现高性能LNA设计。

器件特性与建模

2.1 器件选型分析

BFU730F作为第七代SiGe工艺器件，具备$f_T$=55GHz的高截止频率和1.3dB@12GHz的优良噪声特性[2]。其NPN结构在2V工作电压下呈现优异的高频响应，满足LTE频段低噪声需求。图1展示了器件跨导($g_m$)与集电极电流($I_C$)的关系曲线：

2.2 直流特性建模

建立精确直流模型是LNA设计的基础。通过ADS进行直流扫描，获得工作点特性方程：

$$I_C = I_S\left(e^{\frac{V_{BE}}{nV_T}}-1\right) - \frac{V_{CE}}{R_{output}}$$

其中$I_S=3.2\times10^{-16}$A为饱和电流，$n=1.02$为发射系数。图2显示仿真结果与数据手册的对比验证，误差小于5%。

稳定性分析与优化

3.1 稳定性判据

采用K-Δ联合稳定性判据[3]：

$$K = \frac{1-|S_{11}|^2-|S_{22}|^2+|Δ|^2}{2|S_{12}S_{21}|} > 1$$

$$|Δ| = |S_{11}S_{22} - S_{12}S_{21}| < 1$$

原始器件在1-3GHz频段呈现潜在振荡(图3)。通过引入串联反馈电感$L_e$=0.5nH，将稳定因子提升至K>1.5。

噪声匹配设计

4.1 最佳噪声源阻抗

根据噪声参数方程[4]：

$$Γ_{opt} = \frac{2}{Y_{21}}\left(C_{rn} + j\sqrt{\frac{R_n}{G_{opt}} - C_{rn}^2}\right)$$

其中$R_n=18Ω$为噪声电阻，$C_{rn}=0.8$为相关性系数。通过噪声圆分析(图4)，确定源阻抗$Z_s=35+j25Ω$。

匹配网络综合

5.1 输入匹配网络

采用T型匹配结构实现噪声匹配，其ABCD矩阵为：

$$\begin{bmatrix} A & B\\ C & D \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 1 & jX_L\\ 0 & 1 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 1 & 0\\ jB_C & 1 \end{bmatrix}$$

优化后元件值：$L_1$=3.2nH，$C_1$=1.5pF。

5.2 输出匹配网络

为最大化增益，采用共轭匹配：

$$Z_{out} = Z_L^* = \frac{1}{S_{22}^*} \left(1 - \frac{S_{12}S_{21}Γ_s}{1-S_{11}Γ_s}\right)$$

实现元件：$L_2$=5.6nH，$C_2$=2.2pF。

联合仿真验证

6.1 电磁场-电路协同仿真

建立微带线版图模型(图5)，基板参数：ε_r=4.5, h=0.8mm, tanδ=0.02。仿真结果显示：

结论

本文通过系统化的LNA设计流程，成功实现了1.8GHz频段0.82dB噪声系数和19.05dB增益的优良性能。研究结果表明，采用硅锗工艺结合协同匹配策略，可有效平衡噪声与增益的矛盾。后期工作将重点研究温度稳定性与线性度改进。

参考文献

[1] Friis H T. Noise figures of radio receivers[J]. Proceedings of the IRE, 1944, 32(7): 419-422.
[2] NXP Semiconductors. BFU730F Datasheet Rev. 3, 2021.
[3] Gonzalez G. Microwave transistor amplifiers: analysis and design[M]. Prentice hall, 1997.
[4] Pozar D M. Microwave engineering[M]. John wiley & sons, 2011.