基于Multisim 10的射频LNA仿真和设计

摘要：NI Multisim 10是著名的EDA软件，其仿真功能非常强大，RF电路中LNA的设计是一个难题。使用Multisim设计RF LNA电路，利用虚拟网络分析仪和Smith圆图，对典型RF LNA电路的各种参数进行仿真测试，进而设计阻抗匹配网络，优化电路性能，在设计实践中取得了很好的效果。这对于通信电子产品的设计，对于RF电路的教学和创新型实验具有重要的意义。
关键词：Multisim 10；RF LNA电路；仿真和设计；网络分析仪；Smith圆图；阻抗匹配

    近年来，随着科技的发展，便携式数据终端(PDT)逐渐走人人们的生活，第3代移动通信(3G)、全球定位系统(GPS)、无线局域网(WIAN)以及卫星微波等通信电子产品已走入人们的生活。这依赖于无线通信技术尤其是射频(RF)和微波(WM)技术的发展，同时，也为射频电路的仿真和设计提出了更高的要求。通常，人们以0．3 GHz到4～5 GHz(S带)为射频频段，以4～8 GHz(C带)或更高的频段为微波频段，射频电路工作时会出现寄生效应，如电路的杂散电容、杂散电感、趋肤效应和电磁辐射等，其中的元器件只能作为分布式元器件来考虑。射频电路的设计要求低噪声、高增益、高稳定性和输入输出阻抗匹配，设计时不仅要考虑射频分立元器件或集成电路的选取，考虑射频电路整体性能的协调，考虑高速印制电路板(PCB)的设计，还要依赖于设计者的个人经验，依赖于用计算机射频仿真工具进行仿真和实际仪器测量和验证。
    对于RF电路的设计而言，计算机电子设计自动化(EDA)工具是必不可少的。由于RF元器件的仿真模型设计比较困难，RF电路的计算机仿真还不太精准，所以，选取一款优秀的RF电路仿真工具对于RF电路的设计是十分必要的。目前用的比较多的RF仿真设计工具是Agilent公司的ADS，ADS虽然功能强大，但因操作复杂初学者不易掌握。研究发现NI公司的Multisim射频仿真功能也十分强大，Multisim是最常用的综合性电路仿真工具，从早期的EWB5．0到Muhisim 11，能够仿真的电路类型越来越多。Muhisim支持电路编辑，虚拟仪器测量，操作简单方便，在教学、实验和研发中具有不可替代的作用。Multisim的RF电路仿真模块包含100多个RF元器件，利用Spice语言描述RF元器件特性，并且支持自定义RF Spice模型。RF虚拟仪器有频谱分析仪和网络分析仪，可以对RF双端口电路进行仿真分析和设计。网络分析仪可以测量双端口网络的各种特性参数，支持Smith圆图测量S参数和Z参数，可以自动进行阻抗匹配网络设计。下面以分立元件RF前端低噪声放大器(LNA)的仿真和设计为例，使用Multisim 10中的网络分析仪，以Smith圆图为辅助工具，探讨RF电路的仿真和设计方法。

1 理论分析和RF LNA电路的建立
    RF LNA属于典型的双端口网络，需要用网络分析仪进行测量，Multisim中的虚拟网络分析仪是效仿现实网络分析仪HP8751A的一种虚拟仪表，功能十分全面，可以测量RF双端口电路的S参数、H参数、Y参数、Z参数和稳定因子，可以测量电路的功率增益、电压增益和输入输出阻抗，可以进行阻抗匹配网络分析，支持多种图表显示格式。在仿真测量中以Smith圆图为辅助分析设计工具，可以在Smith圆图中显示电路的S参数、Z参数和稳定性圆图。设电路的归一化输入阻抗为z，反射系数为Γ，z和Γ都是复数，z=r+jx，Γ=Γr+jΓi，经过变换可以得到两组圆的方程，这就是Smith阻抗圆图。如果在Smith圆图中测出电路的S参数，则可以计算出RF电路的增益、驻波比SWR、输入输出端反射系数、输入输出端回波损耗等，也可由网络分析仪很方便的测量有关参数。

    对于RF LNA电路的设计，要求低噪声、高增益和高稳定性，噪声干扰主要是指热噪声和散弹噪声，可以通过选取合适的RF元器件解决，高增益主要由多级电路解决。本电路选取低噪声RF晶体管MRF947为核心信号放大元器件，单级共射放大器结构，信号源中心频率为1 GHz，阻抗为50 Ω，负载阻抗为50Ω，要求电路有一定的增益和稳定性，经计算得到其中的偏置电阻网络，选用实际电阻R2=261 kΩ，R3=2.1 kΩ，使放大电路有合适的静态工作点。在Muhisim 10中创建以上电路，接入网络分析仪，如图1所示。

2 RF LNA电路的仿真过程
    在Muhisim 10中连接好以上电路，网络分析仪P1接电路输入端，P2接电路输出端，按下Run按钮运行仿真，运行一段时间后可以再次按下Run按钮停止仿真。当进行仿真时，网络分析仪以一种特定的激励信号作用于被测电路的输入输出端，接收电路的响应信号并进行仿真运算。其中包含两次交流分析过程，第1次交流分析用来测量输入端的参数S11、S21，第2次交流分析用来测量输出端的参数S22、S12，S参数确定后进行运算得到其他参数，如功率增益、电压增益、输入输出阻抗等均可由S参数运算得出。在网络分析仪中可以查看各种仿真数据，并可以将这些数据用于进一步的仿真分析。
    仿真完成后，双击网络分析仪图标，打开网络分析仪面板，可以看到各种参数随信号频率的变化曲线，在面板上面显示各种参数数值，频率扫描范围为1 MHz～10 GHz，拖动下面的频率调整滑块到1 GHz，可以测量这个频率点的各种参数数值。在面板右侧Mode区域按下Measur ement(检测模式)按钮，测量电路的S参数、H参数、Y参数、Z参数和稳定因子，可以设置不同的图形显示方式，可以设置不同的数值显示方式，单击Auto Scale按钮，可以自动调整刻度。通过仿真得到本电路Smith圆图S参数曲线和稳定因子曲线，1 GHz频率点的稳定因子δ=0．099(δ<1)，K=6．823(K>1)，说明电路在此频率点无条件稳定，Smith圆图S参数曲线如图2所示。

    在面板右侧Mode区域按下RF Characterizer(射频特性分析模式)按钮，可以测量电路的Power Gains(功率增益)、Gains(电压增益)和Impendence(输入输出阻抗)。经仿真测试，本电路1 GHz频率点的一般功率增益PG=4．513 dB，可用功率增益APG=3．864 dB，传感器功率增益TPG=3．718 dB，电压增益V．G.=7．508 dB／114．552 Deg，输入阻抗Zin=23．347／-21．461 Deg，输出阻抗Zout=38．676／-14．746 Deg。其中功率增益曲线如图3所示。

    在RF LNA电路的设计中，要求信号源阻抗为50 Ω，电路负载阻抗为50 Ω，电路增益为十几分贝，从上面的仿真结果分析，电路增益不能满足要求，为了提高增益，可以采用多级放大电路，但是对于上面的单级放大电路来讲，由于电路的输入阻抗和信号源阻抗不匹配，输出阻抗和负载阻抗不匹配，导致射频电路不能传递最大功率增益，为此，需要改进电路结构，在输入输出端加入阻抗匹配网络，以使单级放大电路获得较高的增益，Muhisim射频仿真中有专门的设计阻抗匹配网络的功能。

3 输入输出阻抗匹配网络的设计和后仿真
    仿真停止后，在面板右侧Mode区域按下Match Net．Designer(匹配网络分析模式)按钮，即可以进行阻抗匹配网络设计。单击Stability Circles标签，把频率调到1 GHz，可以查看输入输出稳定性Smith圆图，分析电路的稳定性，其中Stability项显示Unconditionally Stabl e，说明电路无条件稳定。在电路稳定的基础上进一步设计阻抗匹配网络，单击Impedance Matching标签，可以在图上选择不同的匹配电路结构，本电路选择电感电容网络，在右下角选中Auto．Match，即可以自动计算出匹配元件的大小，如图4所示。

    在原电路输入输出端加入图4中设计出来的阻抗匹配网络，其中的元件用数值最接近的实际元件代替，得到完整的单级RF LNA电路，如图5所示。

    对上面设计完成的RF LNA电路重新进行射频特性仿真测试，电路1 GHz频率点的一般功率增益PG=7．122 dB，可用功率增益APG=6．88 dB，传感器功率增益TPG=5．843 dB，电压增益V．G．=11．876 dB／26．095 Deg，仿真结果表明，加入阻抗匹配网络后，RF电路的增益有所提高，其中一般功率增益由4．513 dB增加到7．122 dB，基本能满足单级RF LNA的射频信号放大需求，其中功率增益仿真结果如图6所示。

4 结论
    通过RF LNA的仿真设计实践证明，Multisim射频仿真的精确程度很高。射频通信电路中前端小信号放大器的设计是整个电路设计的关键，电路设计难度很大。由于信号频率很高并且需要综合考虑电路的各种性能指标，往往要进行反复调整测试，Multisim能充分适应这一需求。随着通信市场PDT需求的增加，射频通信设备日益追求智能化、体积小、多功能和高运算速度，射频电路设计朝着CMOS射频集成电路方向发展，并且有整个电路模块集成化的趋势，这也是目前人们研究的热点。在射频电路的设计中，选用合适的EDA工具是十分重要的，这可以极大地节省实验成本，缩短电子产品的研发周期，提高企业的效益和促进电子技术发展。在射频电路的教学和创新型实验中，选用合适的EDA工具同样重要，Multisim RF模块作为射频电路的仿真和设计工具，能够完全胜任教学、实验和研发工作。