LNA ADS最优匹配和匹配过程的讨论

Arm720 · 发表于 2006-5-29 23:54:00

感谢论坛各位热心朋友的关心和支持，我也步入LNA 仿真了。
个人感觉如果你的理论知识到位，匹配过程还是比较快的，但是我的微带线知识有限，在此探讨一下ADS LNA匹配的过程和方法。--- 初步的用块状元件匹配。
LNA匹配要达到的目的：
1）稳定系数大于1 （有些文章说大于0.8就可以，保险起见，标准为1吧）
2）NF系数要小
3）增益可以接受
4）容易忽略的一点，就是GamaIn 和 S11 要小。（不考虑GamaL的原因在于输出为最大功率共轭匹配，反射系数一般较小）
LNA匹配要达到的过程：（在系统K稳定的情况下，采用下面的步骤，否则先调稳定系数K）
1）NF噪声圆，Gp功率增益圆确定GamaS。如果你的设计不考虑增益，可以直接使用ADS推荐的Zopt来匹配Zs（此时GamaS = ADS推荐值Sopt）。 --- 很关键的一点是选Gp，原因在后面说明
2）根据GamaS，首先计算GamaOut=S22+(S12*S21*Sopt)/(1-S11*Sopt)，GamaL = GamaOut的共轭
3）利用GamaL计算Zload，方法为Zload=zopt(GamaL,Z0) --- zopt为ADS系统函数
4）这一步就比较简单了，就是在Smith图上从源电阻和负载电阻匹配到Zopt和Zload的过程。 --- 这一步应该都会作，没有问题。
LNA匹配稳定性问题的解决：（FET LNA设计经常用到的方法是两种）
1）输出串小电阻；可以自己仿真一下，K有改善，但是很慢，而且增加了系统的NF系数。
2）源极串电感，常用的方法，一般在1nh左右，视具体情况。好处是能使K很快的稳定，实现过程中可用微带线替代，同时对系统的噪声没有任何影响，为最优的方式。--- 本处所讨论的方法
3）容易忽略的一点，很多人认为串电感只要是系统K大于1稳定就可以了，容易忽略的一点就是，调K的同时，要关注S11的变化，需要达到的目的就是（1）K大于1 (2)S11要很小，因为S11 小，系统输入级VSWR就小。
说明：（为什么选用Gp圆的原因）
1）匹配过程中，你会碰到3种增益圆：功率增益圆Gp，资用功率增益圆Ga，转换增益圆Gt (ADS中用Gl来表示的)
2）Gp增益圆 = 放大器输入信号/放大器输出信号。放大器输入信号=放大器吸收信号+ 反射信号。可以看到它的好处不考虑放大器的反射信号，回顾一下，输入匹配，输出匹配都会影响反射信号。也就是输入输出匹配对增益圆没有太大的影响，可以说非常的小。
3）不选用Ga和Gt增益圆的圆的原因在于，在电路没有匹配的时候，他的圆轨迹不是实际匹配后的圆轨迹，因为输入输出匹配对Ga，Gt都有影响，它主要是验证系统的增益，如果系统匹配的好，这三种增益是接近重合。
个人体会：
在做ADS仿真前，匹配的理论知识要到位，不然很容易就迷失了，ADS的参考资料看不懂：）
后面会逐渐碰到块状元件转为微带线的问题，到时请教大家。[br]+5 RD币

Arm720 · 发表于 2006-5-30 00:25:00

上面写了很多，在实现过程中，可能还是会碰到很多的问题，请参考ADS自带的设计案例，打开ADS的Example Project，然后查找LNA关键字，有好几个例子，我主要参考 C:\ADS2005A\examples\MW_Ckts\LNA_prj 这个案例。

qizhilong · 发表于 2006-5-30 09:48:00

你这个只是单级的情况，如果两级以上的话，要考虑在增益和NF中两者的最佳结合因为NF=NF1+NF2/G1[br]+1 RD币

qizhilong · 发表于 2006-5-30 09:48:00

总的说来你总结得还不错

WQL · 发表于 2006-5-30 11:39:00

对于单级而言，串一小电阻，从仿真来看确实稳定性增加了。但对于两级或三级来讲我认为即使不串小电阻整体稳定性也是很高的，实际和仿真都可以证明。
对于源级串小电感，我认为对于工作于低频的管子这种方法是非常有效的，如ATF54143等，但对于工作在高频的管子（如：ATF36077 FHC40LG等），我不太认为源级电感可行，应为它在你设计的频带内可能是负反馈，但在高频
它却可能是正反馈，从而自激。
以上只是我做低噪放的一些个人理解，希望大家批评指正，并讨论！[br]+3 RD币

Arm720 · 发表于 2006-5-30 12:01:00

对于两级以上因为NF=NF1+NF2/G1，无论如何第一级的G1也在10以上吧，所以后级的噪声系数应该影响很小。对于高频的情况，实在是没有研究，不过从仿真上看，源极串电感，频率越高，反而K是变小的；但是串电阻，在频率极高的情况下，反而稳定系数提高较大；可能有些时候是折中考虑的。 --- 具体原因未知，没有经一步研究，后面再分析吧。我现在碰到一个问题，还没有解决，就是块状元件如何转换为微带线？源电感如何转换为微带线？一直没有时间研究微带线，望各位大虾支招。多谢！上面LNA匹配的过程，各位朋友如果有好的方法和建议，也一起讨论吧。人多力量大呀。

qizhilong · 发表于 2006-5-30 12:44:00

源电感一般可以用1/4波长高阻微带线，它对高频呈现高阻状态，直流情况下等于一段导线而已用微带线的匹配方式不是简单的用等效电容或者电感来表示，因为微带线对阻抗的影响和电感电容不同你看看《射频电路设计理论与应用》匹配和偏置部分对这两个问题都会有更好的理解另外微带线的应用你要先看看微带线加入后阻抗的计算最有用的是公式Zin(d)=Z0*(ZL+jZ0*tan(Bd))/(Z0+jZL*tan(Bd))你可以下载一些小的阻抗匹配的软件看看微带线对S的影响啊然后在ADS里面试验一下用的比较多的有并联开路短路线，1/4波长线（蛇形线）还有微带线加电容匹配的方式[br]+3 RD币

Arm720 · 发表于 2006-5-30 13:04:00

下来再仔细研究一下吧，现在碰到的问题就是已知源电感的值为1.45nH，串联短路到地，如何计算设计微带线？计算过程如何?多谢楼上的兄弟，根据你指的方向，下来在研究研究，多谢了！

Arm720 · 发表于 2006-5-30 21:21:00

可能这个微带线的问题对大家相对比较简单。希望有朋友能说说。
在匹配过程中，以及看资料的时候，有个让人容易困惑的问题：smith圆的匹配轨迹到底是从圆心50Ohm到已知点，还是从已知点到圆心？说说我的理解。
我们目前碰到的匹配目的有两种：最低噪声匹配和最大传输功率匹配。
1）最低噪声匹配（轨迹：圆心到GamaS，GamaL处）
一般在多极放大器的第一级，目的是在50Ohm传输线的情况下，得到希望的GamaS，GamaL；因为源内阻和负载内阻都假定为50Ohm，所以匹配轨迹为从圆心到GamaS，GamaL处。
这个时候可能有个问题，就是为何在匹配源内阻的同时，把Zin匹配成源内阻的共轭？原因在于如果匹配了Zin，那么从LNA向G极向源看去的时候，匹配Zin的元件，LNA把它看作是源内阻的一个部分，所以GamaS，GamaL改变了。
2）最大传输功率匹配（轨迹：Zin到圆心，Zout到圆心）
一般为放大器的后级设计使用，最大功率传输要达到的条件就是源内阻和负载内阻共轭时，传输功率最大。如果源内阻为50Ohm，那么意味着Zin要匹配到50Ohm，匹配轨迹为Zin到圆心。
但是困难在于负载的匹配情况会影响Zin，所以一般情况下是，匹配Zin，先使S11接近0；然后调输出匹配，使Zout为50Ohm；最后进行输入，输出匹配微调。[br]+3 RD币

Arm720 · 发表于 2006-6-1 01:14:00

非常感谢qizhilong兄！利用该公式：Zin(d)=Z0*(ZL+jZ0*tan(Bd))/(Z0+jZL*tan(Bd))，已经实现了Ls转换为微带线，微带线仿真结果和串电感仿真结果一致！实际上块状元件是不能简单的转换为微带线的，我使用ADS自带的Smith工具，使用微带线重新匹配一次；微带线仿真结果和块状元件仿真结果相似，感到比较奇怪的是实部和50Ohm有5Ohm左右的差值；虚部为毫欧姆，符合要求。碰到的问题：1）串联和并联的微带线如果不使用微带T连接头，匹配结果实部和50Ohm有5Ohm左右的差值。2）串联和并联的微带线如果使用微带T连接头，匹配结果实部和50Ohm接近，但是虚部为2Ohm左右。问题就是到底要不要T微带线连接头？在什么情况下使用。对电路的影响还是挺大的。[br]+3 RD币

Arm720 · 发表于 2006-6-1 03:46:00

上面的问题作为遗留问题吧，继续研究吧。仿真做到这一步，实际上遇到的问题还是挺多的，归纳一下：1）微带线太长，而且宽，50Ohm有1.45mm，一般长度都有5到10mm，对电路板空间有要求2）一旦做成PCB板，调整困难，如果效果不行，几乎没有调整的余地，就直接废板了关于到底是用块状元件，还是微带线，想讨论一下：（块状元件优点很明显，就是调整非常容易）1）块状元件主要是寄生参数影响较大，这个是选用微带线的理由；实际上匹配电容很小，应该是可以选用电容的。2）对于电感，主要认为的是损耗较大，寄生参数较大；实际上匹配的原则是主路阻抗小，支路(并联)阻抗大，如果把电感放在支路，是否影响较小一些。3）匹配电路的品质因数；单点频率使用高品质因素好一些，实际上匹配电路也是一个滤波器；宽频是用品质因数小一些的匹配电路。希望有朋友能说说使用块状匹配元件的实践效果，还有就是电容和电感在匹配中的使用原则。[br]+5 RD币

qizhilong · 发表于 2006-6-1 09:47:00

给你另外一个使用微带线的理由：频率很高时，你现在的频率应该不是很高，当频率变高，介质中的波长变小，微带线就尤其重要了，因为块状元件的大小与波长更加接近，其寄生效应也就更大[br]+1 RD币

qizhilong · 发表于 2006-6-1 09:50:00

T连接头当然要，只要并联就要加2Ohm的虚部已经可以忽略了[br]+1 RD币

Arm720 · 发表于 2006-6-1 11:48:00

在继续讨论前，说说源极Ls电感是如何转换成为微带线的吧，前面忘说了。1）首先根据频率计算j*w*l，计算阻抗值2）在微带线终端短路的情况下，Zin = j * Z0 * Tan(theta) = j*w*l；选择Z0，计算Theta3）在ADS 微带线计算工具中，填入Z0和Theta的值，就自动计算出微带线的宽度和长度。-----------------------------------------------------------------------------------------ADS 对T连接头的描述是一个表达的方法，不代表任何实物。实但际情况是T连接头对仿真结果有影响，加T连接头，仿真后实部变小。如果使用块状元件，是否应该买微波专用的电感电容？应该比较贵吧。我目前做实验仿真的频率是1.9G 。在高频下应该优选微带线，不知道高频的范围在这里是如何定义的？多谢！[br]+3 RD币

Arm720 · 发表于 2006-6-2 02:18:00

看来遗留问题很多，最头疼的是这些问题参考资料很难找啊。再说说关于匹配的一些想法，我是新手，希望大家多参与讨论。实际上匹配电路实现了两个目的：1）转换源电阻或负载电阻到给定的阻抗2）匹配电路实际上也是一个滤波器（L型匹配为高通，PI型匹配为带通）我们知道为了衰减非期望信号进入LNA，在LNA前面往往加一个SAW，那么我们在实际匹配时，是否可以同时达到下面的目的：1）把源或负载阻抗变换到期望值2）同时又达到滤波的效果答案是可行的，对于单点频率，可以使用PI型网络匹配，高Q值，然后单独对PI型网络进行S参数仿真，可以发现它既能达到匹配又能达到滤波的双重效果。仿真结果显示，PI型匹配和L型匹配都能达到匹配的效果；在信号衰减上，几乎都是1的B的衰减。说明：ADS的Smith工具能显示等Q线，对于单点频率，选用高Q值；宽带情况，是用低Q值。[br]+3 RD币

Arm720 · 发表于 2006-6-2 04:22:00

经过不断的研究发现PI型网络匹配器具有非常良好的特征：
1）既能阻抗变换匹配，又能滤波 --- 优点也是很明显吧
2）微带线长度大大减少，在一半左右
3）微带线和电容组合匹配，其中电容可以使用块状元件 --- 优点很明显吧
4）制成PCB板后，能通过调整电容的值来优化匹配 --- 能避免PCB废板
下面的图形是匹配结果：（Q值较高，为8.5；可看出50Ohm微带线仅有12度，长度减少）

[upload=jpg]UploadFile/2006-6/0662@52RD_PI型网络匹配.JPG[/upload][br]+5 RD币

Arm720 · 发表于 2006-6-2 04:33:00

说明：匹配轨迹为圆心到GamaS点，也就是Zs对应的点。大家可以详细研究一下电路中的两个电容，可以发现即时微带线有偏差，只要调整电容的值，总能达到终点Zs。我的研究成果都是无私奉献哪，希望对大家有所帮助，也希望大家说说实践方面的情况。还有一个问题一直没有解决，就是ADS的T连接头的使用，加和不加，对仿真结果影响挺大的。[br]+3 RD币

Arm720 · 发表于 2006-6-4 11:24:00

PI型网络匹配器相比L型，还有加工方面的优点。L型匹配器，如果使用微带线实现，由于加工偏差的原因，很难实现期望匹配。而PI型匹配，路径较多，微带线加工方面的偏差，相比L型，影响要小。在实现过程中，可能还会碰到一个问题，就是：如果LNA前面加微带线滤波器，如何匹配？这个时候匹配是相对困难的，因为天线(50Ohm) + 微带线滤波器，此时阻抗会产生变化，影响LNA的GamaS 。LNA匹配在实现方面会碰到很多的问题，特别是测量，SMA接头的不连续性会带来测量方面的误差，而这些误差对匹配的影响还是挺大的。有哪位朋友能说说实践方面的情况，这个问题有哪些措施可以减少或者解决。

capacitor · 发表于 2006-6-4 20:05:00

请问大家ADS2005A破解的安装方法.能否指教?THANKS!!!

Arm720 · 发表于 2006-6-6 03:51:00

看来大家参与的积极性不高啊。虽然PI型滤波器具有很好的优点，如上的例子，在理论上通过调整电容，总能匹配到理想的点；但是实际情况是电容是不能平滑调整的，因为根据市面上能买到的电容规格是不连续的，而且中间的间隔差值较大。讨论到此又陷入了困境，到底是用微带线还是用块状元件匹配，我个人的初步想法：1）误差对匹配影响较小的电容元件，使用块状元件匹配，而且调整也方便。2）对于误差对匹配影响较大的并联电容性元件，使用微带线和块状元件同步使用的方法，如果微带线不能达到理想效果，可以使用并联小块状电容元件进行微调。上面两种方式，对于产品批量生产，可能会有部分问题，估计最终的微调电容还是要转换为微带线，然后重新制作PCB版调试。[br]+3 RD币

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