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。