ADS项目笔记 1. 低噪声放大器LNA天线一体化设计

在传统射频结构的设计中,天线模块和有源电路部分相互分离,两者之间通过 50 Ω 传输线级联,这种设计需要在有源电路和天线之间建立无源网络,包括天线模块的输入匹配网络以及有源电路的匹配网络。这些无源网络不仅增加了系统的插入损耗,还会占用额外的电路面积,从而影响系统的性能。而有源集成天线通过将天线模块和有源电路集成,不仅能够有效降低馈线损耗,还提高了天线辐射效率。

天线+有源器件一体化设计是将有源器件和辐射元件集成于一体,构成既能辐射电磁波又能产生射频功率的设备。该集成式设备不仅保留了微带天线体积小、制造方便、易与其他载体共形等优点,还可以利用微带天线提升有源电路的性能(增益、噪声、带宽等)。

ADS CST工程下载:低噪声放大器LNA天线一体化设计-ADS CST工程

参考论文:宽带低噪声放大器天线一体化研究

目录

0、设计指标

1、LNA设计

[1-1 直流扫描](#1-1 直流扫描)

[1-2 偏置电路](#1-2 偏置电路)

[1-3 S参数分析(带偏置电路的)](#1-3 S参数分析(带偏置电路的))

[1-4 稳定性分析](#1-4 稳定性分析)

[1-5 输入输出阻抗匹配](#1-5 输入输出阻抗匹配)

2、PIFA设计

[2-1 天线设计过程](#2-1 天线设计过程)

[2-2 参数分析](#2-2 参数分析)

3、天线+LNA集成设计


0、设计指标

工作频点:2.5GHz

噪声系数:<1dB

功率增益:13dB

1、LNA设计

LNA的详细设计步骤见之前文章,ADS学习笔记 2. 低噪声放大器设计,但此次设计工作频段在2.5GHz,所有的步骤都要重新匹配,这里就简要说明

1-1 直流扫描

unarchive解压zap文件,命名工程

新建原理图01_DC_test,Insert---Template---DC_FET_T。直流扫描的结果如图所示。结合晶体管的 datasheet 可知,当 VDS = 3 V, 且 IDS= 60 mA 时,低噪放在 2 GHz 处增益为 16.6 dB,NFmin= 0.5 dB。噪声和增益性能较为理想,因此选取 VDS=3 V,IDS=60 mA 作为直流工作点。

1-2 偏置电路

新建原理图02_Bias_Circuit,找到控件Transistor Bias,设置好参数后连接电路

DesignGuide---Amplifier---Tools---Transistor Bias Utility,选择Bias Point为0.59V,选择第一种偏置电路,点击Design

将生成的偏置电路Pop Out复制出去,连接下面的电路,找到DC控件,再Simulate---DC Annotation---Voltage&Current,可以看出VGS=0.59V,VDS=3V,IDS=66.8mA,和我们预计的VDS=3 V,IDS=60 mA 直流工作点接近

1-3 S参数分析(带偏置电路的)

新建原理图03_SPara_test,Insert---Template---S_Params,加元件,两端口加隔直电容,加上偏置电路,加扼流线圈,S控件勾上计算噪声,加StabFact、MaxGain控件

仿真结果如下K=0.987不稳定,下面进行稳定性分析

1-4 稳定性分析

DesignGuide---Amplifier---S-Parameter Simulations第一个,重命名为04_Stability_Analysis,将03中的原理图复制进来,直接仿真,结果如下,显然不稳定
在源端并联电感来稳定,设置参数为m nH。双击VAR开始调谐,m=0.4nH时的结果如下,此时处于稳定状态,不仅是2.5GHz时稳定,低频段也是稳定的,这样不至于自激。增益和噪声都还可以

把理想器件换成实际器件,仿真结果如下,增益有所下降,NF有所提高
增大隔直电容 ----增益变高、NF变低、但K变小(利于性能,不利于稳定)
增大扼流线圈----增益降低、噪声变高、但K变大(利于稳定,不利于性能)

说明稳定措施的电感可行,但0.4nH太小了,做成微带线形式。微带线要连接管子管脚,看一下它的封装尺寸,源极引脚宽度为0.9mm & 0.6mm,可以选取最宽的0.9mm,也可以分开设计。

此次设计分开设计,基板为FR-4,介电常数4.6,tanD=0.02,厚度1.6mm。

对于0.9mm的线宽,LineCalc得出其Z0=88Ω,带入wL=Z0tan(βl),得出tan(βl)=0.07,βl=4.0°.输入到E_Eff中,得出长度约为0.75mm

对于0.6mm的线宽,Z0=101.4Ω,tan(βl)=0.062,βl=3.54°,长度约为0.67mm。仿真结果如下,和单独电感的差别不是很大

通过看噪声圆和增益圆,得出最小噪声下的输入输出阻抗。输入匹配通过PIFA天线设计,下面进行输出阻抗匹配

1-5 输入输出阻抗匹配

新建原理图05_Output_Matching_Circuit,Insert----Template-----SParam,添加Smith Chart控件,设置好参数,用微带线匹配,生成输出匹配网络

新建原理图06_Input_Matching_Circuit,同上,但输入阻抗要设置为共轭

新建原理图07_Overall_Sim,把04原理图复制进来,把05和06的匹配电路都加进来。匹配电路用的是微带线匹配,默认的是Z0=50Ω,所以要计算在FR4下的W和L

仿真结果出奇的差(S11差,NF差,Gain差)。开始查找原因,一般问题就是在匹配电路上。输入匹配电路单独仿真,谐振在2.5GHz没问题,输出匹配电路单独仿真,就有问题了(都没有谐振)。发现将Term1的阻抗改成共轭的,结果就可以,(所以在输出匹配电路设计时阻抗要不要设置成共轭的呢?)

重新设计输出匹配电路,单独的和总体的仿真结果如下,就是增益有一点点低了,可能最开始的源极电感调的有点高了,不然增益可以再大一点

准备弄一下最小NF下的输入阻抗曲线,发现Z11在2.5GHz和上面的27.2-j*17 对不上。单独把输入匹配电路拿出来看,发现是隔直电容的问题,关于隔直电容大小选取可以看这里:隔直电容的大小选取耦合电容与隔直电容。大电容通低频,小电容通高频。
原则:++【电容自谐振频率略大于信号频率】++ 因此把100pF的电容换成ADS库文件的5pF隔直电容,结果如右图所示(下次可以单独看一下器件的谐振频率)

2、PIFA设计

该天线主要是打在板子上,作为LNA的输入匹配电路+射频接收。以经典PIFA为原型,最终天线结构如下,此次用CST设计,要求天线的输出阻抗是 27.2-j*17 Ω

2-1 天线设计过程

加上一个类似于的槽主要是为了增长电流路径,进行降低谐振频率,减小尺寸。对比如下
PIFA不开槽 PIFA+pai型槽

点击Z11--Real/Imag或者直接看Smith Chart查看阻抗,此时的输出阻抗为57+5.5*j,不满足LNA的输入阻抗要求。需要进一步优化参数调整天线阻抗

2-2 参数分析

谐振点的影响主要还是电流路径的长度,也就是L+Hs。看一下其他参数的影响




以上仿真结果都是在端口阻抗50Ω的情况,所以会出现怎么调试优化都不能完全出现27-j*17 Ω的效果,所以重新设置天线端口阻抗为27-j*17 Ω

具体设置复阻抗端口可详见[CST] [HFSS] CST/HFSS设置复阻抗端口

发现端口阻抗好像对天线的输出阻抗不怎么影响

实际上从天线的输入阻抗上看,阻抗曲线在谐振点不可能是一直平滑的,所以在设计的时候肯定多少会偏一点,最终还是以联合的结果为准

3、天线+LNA集成设计

将天线S11文件导出到ADS中,详细步骤可见[ADS] [CST] [HFSS] CST/HFSS导入ADS 联合仿真

新建原理图08_Co_Simulation,把07原理图复制进来,删除输入匹配电路,放入S1P模块,指定s1p文件地址,点击仿真

得出最优的仿真结果,此时噪声系数仅为1.143dB,增益达到13.067dB。在优化过程中发现,实际天线的实部越小,联合出来的增益越高,噪声越小

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