L波段接收前端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引言

在接收機(jī)中，濾波器一般直接接在接收天線后面，起到 頻帶選擇的作用。微帶濾波器在射頻微波通信電路中有著廣 泛的應(yīng)用。它具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、加工方便、加工成本低的特點(diǎn)。 本文采用的發(fā)夾結(jié)構(gòu)微帶帶通濾波器更具有結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸 精小的優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)低噪聲放大器的設(shè)計(jì)，本文采用先進(jìn)的射 頻仿真軟件ADS進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)于濾波器，采用的是計(jì)算 二維電路更精準(zhǔn)的Sonnet軟件。仿真軟件得到的電路版圖通 過(guò)刻板、焊接、測(cè)試、調(diào)試等步驟獲得最后測(cè)試結(jié)果。

1濾波器的設(shè)計(jì)

發(fā)卡濾波器的基本原理與平行耦合濾波器的基本原理大 同小異，只是諧振器的形式采用“U”形的折疊結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu) 大大縮小了濾波器的尺寸，但是“U”形結(jié)構(gòu)兩個(gè)臂的間距不 宜做得太小，否則會(huì)引入較大的自耦合叫本文采用二分之一 波長(zhǎng)諧振器，設(shè)計(jì)了一個(gè)1.23?1.43 GHz的5階切比雪夫帶 通濾波器。

兼顧到諧振器的品質(zhì)因數(shù)、結(jié)構(gòu)的大小、加工的難度等 諸多因素，選取諧振器的微帶寬度為1 mm。通過(guò)ADS內(nèi)嵌 的“LineCalc”工具可以計(jì)算出中心頻率1.33 GHz時(shí)的半波長(zhǎng) 諧振器的理論長(zhǎng)度為63.5 mm (采用介電常數(shù)4.4,介質(zhì)厚度 1mm，損耗角正切0.035的FR4板材)?！癠”形諧振的實(shí)際長(zhǎng) 度受到相鄰諧振器和饋線的影響，一般小于理論半波長(zhǎng)。這 里用電磁仿真軟件得到諧振器諧振在中心頻率點(diǎn)的精確尺寸。 在“U”形諧振器的一端添加耦合饋線獲得它的S參數(shù)，在諧 振點(diǎn)處S11達(dá)到最低值。值得注意的是耦合饋線與諧振器不宜 太近，否則饋線與諧振器的強(qiáng)耦合會(huì)影響到諧振器的諧振頻 率。調(diào)節(jié)“U”形臂的長(zhǎng)度使諧振器諧振到中心頻率點(diǎn)。

如圖 1，“U”形諧振器通過(guò)級(jí)聯(lián)耦合而成。耦合系數(shù) k 和外部品質(zhì)因數(shù)可以通過(guò)低通原型的基本參數(shù)計(jì)算得到。

式中：是濾波器的階數(shù)，是諧振器序號(hào)，F(xiàn)BW是相對(duì)于中 心頻率的歸一化帶寬,&是濾波器低通原型中第，個(gè)元件的歸 一化值。中心頻率1.33 GHz，帶寬0.2 GHz，帶內(nèi)波紋0.1 dB 的5階切比雪夫低通原型參:：6=1，務(wù)5=1.146 8, g2. 4=1.371 2, g3=1.975 0。根據(jù)式(1)可以計(jì)算得到耦合系數(shù),k1，=k4.5=0.119 9, k2, 3=k3, 4=0.091 4。

每個(gè)諧振器的耦合間距⑸決定著耦合系數(shù)的大小，發(fā) 卡線間的物理間距與耦合系數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以利用Sonnet電 磁仿真獲得。兩個(gè)耦合在一起的諧振器在電磁仿真中會(huì)出現(xiàn)兩 個(gè)諧振尖峰，它們對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)分別為￡1和原，則耦合系數(shù) 與兩個(gè)諧振頻率的關(guān)系為：

調(diào)節(jié)諧振器的耦合間距，可以獲得耦合間距與耦合系數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖 2。

在濾波器中，帶內(nèi)的能量需要通過(guò)饋線很好地耦合進(jìn)去。 本文采用如圖1的抽頭饋線方式，這種方式已經(jīng)有了較為精準(zhǔn) 的經(jīng)驗(yàn)公式，通過(guò)式(5)確定饋線初始位置。

式中：或g, Z。是抽頭線的特性阻抗，Z,是諧振器的特性阻抗, Qe是輸入輸出端的外部品質(zhì)因數(shù)。最終的實(shí)物如圖3所示。

2低噪聲放大器的設(shè)計(jì)

低噪聲放大器位于接收機(jī)的最前端，這就要求它的噪聲 越小越好，為了抑制后面各級(jí)噪聲的影響還要有一定的增益, 但增益又不宜過(guò)大，否則會(huì)使混頻器過(guò)載，產(chǎn)生非線性失真。

在低噪聲放大設(shè)計(jì)中往往需要引入匹配電路獲得最大功 率和最小噪聲傳輸。但是，一般的設(shè)計(jì)中很難同時(shí)獲得最大 增益和最小噪聲，所以需要在噪聲系數(shù)和反射系數(shù)中權(quán)衡。

放大器的噪聲系數(shù)可以表示為：

當(dāng)滿足rs=r^l達(dá)到最小噪聲匹配叫

如圖4,二端口網(wǎng)絡(luò)的反射系數(shù)：

如圖5,本文選用SPF5043Z設(shè)計(jì)了一個(gè)能夠應(yīng)用到 1.35?1.45 GHz的低噪聲放大器。基板同樣采用介電常數(shù)4.4, 1 mm厚的FR4板材。

3實(shí)物測(cè)試

濾波器和低噪聲放大器都采用標(biāo)準(zhǔn)的SMA接頭作為輸入 輸出口，濾波器的S參數(shù)如圖6所示，低噪聲放大器的S參數(shù) 如圖7。濾波器的帶內(nèi)插損3 dB左右，回波損耗小于15 dB。 低噪聲放大器在1.23?1.43 GHz的增益平坦度小于1.2 dB,輸 入輸出反射系數(shù)小于一14 dB。

圖8為低噪聲放大器的噪聲系數(shù)，在1.23?1.43 GHz內(nèi) 噪聲小于1 dB。濾波器與低噪聲放大器通過(guò)同軸線級(jí)聯(lián)起來(lái) 的測(cè)試結(jié)果如圖9,增益約為10 dB左右，輸入輸出反射系數(shù) 小于一14 dB。

4結(jié)語(yǔ)

低噪聲放大器和濾波器的最終測(cè)試結(jié)果基本滿足設(shè)計(jì)指 標(biāo)。利用ADS和Sonnet等仿真工具設(shè)計(jì)放大器和濾波器大 大縮短了設(shè)計(jì)周期，提高了低噪聲放大器和濾波器的設(shè)計(jì)效率。

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