周貝+張磊+王英豪

摘 要：射頻接收前端是現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)的重要組成部分之一。其中，低噪聲放大器和濾波器的性能直接影響著接收機(jī)的接收靈敏度和帶外抗干擾能力。采用仿真軟件設(shè)計出一款工作在L波段的低噪聲放大器和一種發(fā)卡結(jié)構(gòu)的帶通濾波器。最后經(jīng)過實物的加工、測試、調(diào)試，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：低噪聲放大器;濾波器;ADS;Sonnet

中圖分類號：TN626 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ?文章編號：2095-1302（2014）12-00-02

0 ?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)計簡單、加工方便、加工成本低的特點。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。針對低噪聲放大器的設(shè)計，本文采用先進(jìn)的射頻仿真軟件ADS進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，對于濾波器，采用的是計算二維電路更精準(zhǔn)的Sonnet軟件。仿真軟件得到的電路版圖通過刻板、焊接、測試、調(diào)試等步驟獲得最后測試結(jié)果。

1 ?濾波器的設(shè)計

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)兩個臂的間距不宜做得太小，否則會引入較大的自耦合[1]。本文采用二分之一波長諧振器，設(shè)計了一個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ADS內(nèi)嵌的“LineCalc”工具可以計算出中心頻率1.33 GHz時的半波長諧振器的理論長度為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”形諧振的實際長度受到相鄰諧振器和饋線的影響，一般小于理論半波長。這里用電磁仿真軟件得到諧振器諧振在中心頻率點的精確尺寸。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)耦合會影響到諧振器的諧振頻率。調(diào)節(jié)“U” 形臂的長度使諧振器諧振到中心頻率點。

圖1 ?抽頭發(fā)卡濾波器

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

（1）

（2）

（3）

式中：n是濾波器的階數(shù)，i是諧振器序號，F(xiàn)BW是相對于中心頻率的歸一化帶寬，gi是濾波器低通原型中第i個元件的歸一化值。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：g0，6=1，g1，5=1.146 8，g2，4=1.3712，g3=1.975 0。根據(jù)式（1）可以計算得到耦合系數(shù)， k1，2=k4，5=0.119 9，k2，3=k3，4=0.091 4。

每個諧振器的耦合間距（S）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)的對應(yīng)關(guān)系可以利用Sonnet電磁仿真獲得。兩個耦合在一起的諧振器在電磁仿真中會出現(xiàn)兩個諧振尖峰，它們對應(yīng)的頻率點分別為fp1和fp2，則耦合系數(shù)與兩個諧振頻率的關(guān)系為：

（4）

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)的對應(yīng)關(guān)系，如圖2。

圖2 ?k與S關(guān)系

在濾波器中，帶內(nèi)的能量需要通過饋線很好地耦合進(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)驗公式，通過式（5）確定饋線初始位置。

（5）

式中：L=λg，Z0是抽頭線的特性阻抗，Zr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)。最終的實物如圖3所示。

圖3 ?濾波器實物

2 ?低噪聲放大器的設(shè)計

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，為了抑制后面各級噪聲的影響還要有一定的增益，但增益又不宜過大，否則會使混頻器過載，產(chǎn)生非線性失真[2]。

（6）

在低噪聲放大設(shè)計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)計中很難同時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：

（7）

當(dāng)滿足ΓS=Γopt達(dá)到最小噪聲匹配[3]。

如圖4，二端口網(wǎng)絡(luò)的反射系數(shù)：

（8）

（9）

當(dāng)滿足ΓS=ΓIN*與ΓL=Γ*OUT達(dá)到最大功率傳輸。

當(dāng)滿足ΓS，opt=ΓIN*時達(dá)到最小噪聲和最大功率傳。

圖4 ?放大電路等效信號流圖

圖5 ?低噪聲放大器實物

如圖5，本文選用SPF5043Z設(shè)計了一個能夠應(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 ?實物測試

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-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同軸線級聯(lián)起來的測試結(jié)果如圖9，增益約為10 dB左右，輸入輸出反射系數(shù)小于-14 dB。

4 ?結(jié) ?語

低噪聲放大器和濾波器的最終測試結(jié)果基本滿足設(shè)計指標(biāo)。利用ADS和Sonnet等仿真工具設(shè)計放大器和濾波器大大縮短了設(shè)計周期，提高了低噪聲放大器和濾波器的設(shè)計效率。

參考文獻(xiàn)

[1] Jiasheng Hong， M.J.Lancaster. Microstrip filters for RF/microwave applications[M]. John Wiley & Sons， 2004.

[2]陳邦媛.射頻通信電路[M]. 北京： 科學(xué)出版社， 2006.

[3] Reinhold Ludwig， Gene Bogdanov. 射頻電路設(shè)計—理論與應(yīng)用[M]. 王子宇譯. 北京： 電子工業(yè)出版社， 2013.

[4] Richard J.Cameron， Chandra M.Kudsia， Raafat R.Mansour.通信系統(tǒng)微波濾波器—基礎(chǔ)、設(shè)計與應(yīng)用[M]. 王松林譯.北京： 電子工業(yè)出版社， 2012.

摘 要：射頻接收前端是現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)的重要組成部分之一。其中，低噪聲放大器和濾波器的性能直接影響著接收機(jī)的接收靈敏度和帶外抗干擾能力。采用仿真軟件設(shè)計出一款工作在L波段的低噪聲放大器和一種發(fā)卡結(jié)構(gòu)的帶通濾波器。最后經(jīng)過實物的加工、測試、調(diào)試，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：低噪聲放大器;濾波器;ADS;Sonnet

中圖分類號：TN626 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ?文章編號：2095-1302（2014）12-00-02

0 ?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)計簡單、加工方便、加工成本低的特點。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。針對低噪聲放大器的設(shè)計，本文采用先進(jìn)的射頻仿真軟件ADS進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，對于濾波器，采用的是計算二維電路更精準(zhǔn)的Sonnet軟件。仿真軟件得到的電路版圖通過刻板、焊接、測試、調(diào)試等步驟獲得最后測試結(jié)果。

1 ?濾波器的設(shè)計

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)兩個臂的間距不宜做得太小，否則會引入較大的自耦合[1]。本文采用二分之一波長諧振器，設(shè)計了一個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ADS內(nèi)嵌的“LineCalc”工具可以計算出中心頻率1.33 GHz時的半波長諧振器的理論長度為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）。“U”形諧振的實際長度受到相鄰諧振器和饋線的影響，一般小于理論半波長。這里用電磁仿真軟件得到諧振器諧振在中心頻率點的精確尺寸。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)耦合會影響到諧振器的諧振頻率。調(diào)節(jié)“U” 形臂的長度使諧振器諧振到中心頻率點。

圖1 ?抽頭發(fā)卡濾波器

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

（1）

（2）

（3）

式中：n是濾波器的階數(shù)，i是諧振器序號，F(xiàn)BW是相對于中心頻率的歸一化帶寬，gi是濾波器低通原型中第i個元件的歸一化值。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：g0，6=1，g1，5=1.146 8，g2，4=1.3712，g3=1.975 0。根據(jù)式（1）可以計算得到耦合系數(shù)， k1，2=k4，5=0.119 9，k2，3=k3，4=0.091 4。

每個諧振器的耦合間距（S）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)的對應(yīng)關(guān)系可以利用Sonnet電磁仿真獲得。兩個耦合在一起的諧振器在電磁仿真中會出現(xiàn)兩個諧振尖峰，它們對應(yīng)的頻率點分別為fp1和fp2，則耦合系數(shù)與兩個諧振頻率的關(guān)系為：

（4）

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)的對應(yīng)關(guān)系，如圖2。

圖2 ?k與S關(guān)系

在濾波器中，帶內(nèi)的能量需要通過饋線很好地耦合進(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)驗公式，通過式（5）確定饋線初始位置。

（5）

式中：L=λg，Z0是抽頭線的特性阻抗，Zr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)。最終的實物如圖3所示。

圖3 ?濾波器實物

2 ?低噪聲放大器的設(shè)計

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，為了抑制后面各級噪聲的影響還要有一定的增益，但增益又不宜過大，否則會使混頻器過載，產(chǎn)生非線性失真[2]。

（6）

在低噪聲放大設(shè)計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)計中很難同時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：

（7）

當(dāng)滿足ΓS=Γopt達(dá)到最小噪聲匹配[3]。

如圖4，二端口網(wǎng)絡(luò)的反射系數(shù)：

（8）

（9）

當(dāng)滿足ΓS=ΓIN*與ΓL=Γ*OUT達(dá)到最大功率傳輸。

當(dāng)滿足ΓS，opt=ΓIN*時達(dá)到最小噪聲和最大功率傳。

圖4 ?放大電路等效信號流圖

圖5 ?低噪聲放大器實物

如圖5，本文選用SPF5043Z設(shè)計了一個能夠應(yīng)用到1.35～1.45 GHz的低噪聲放大器?；逋瑯硬捎媒殡姵?shù)4.4，1 mm厚的FR4板材。

3 ?實物測試

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-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同軸線級聯(lián)起來的測試結(jié)果如圖9，增益約為10 dB左右，輸入輸出反射系數(shù)小于-14 dB。

4 ?結(jié) ?語

低噪聲放大器和濾波器的最終測試結(jié)果基本滿足設(shè)計指標(biāo)。利用ADS和Sonnet等仿真工具設(shè)計放大器和濾波器大大縮短了設(shè)計周期，提高了低噪聲放大器和濾波器的設(shè)計效率。

參考文獻(xiàn)

[1] Jiasheng Hong， M.J.Lancaster. Microstrip filters for RF/microwave applications[M]. John Wiley & Sons， 2004.

[2]陳邦媛.射頻通信電路[M]. 北京： 科學(xué)出版社， 2006.

[3] Reinhold Ludwig， Gene Bogdanov. 射頻電路設(shè)計—理論與應(yīng)用[M]. 王子宇譯. 北京： 電子工業(yè)出版社， 2013.

[4] Richard J.Cameron， Chandra M.Kudsia， Raafat R.Mansour.通信系統(tǒng)微波濾波器—基礎(chǔ)、設(shè)計與應(yīng)用[M]. 王松林譯.北京： 電子工業(yè)出版社， 2012.

摘 要：射頻接收前端是現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)的重要組成部分之一。其中，低噪聲放大器和濾波器的性能直接影響著接收機(jī)的接收靈敏度和帶外抗干擾能力。采用仿真軟件設(shè)計出一款工作在L波段的低噪聲放大器和一種發(fā)卡結(jié)構(gòu)的帶通濾波器。最后經(jīng)過實物的加工、測試、調(diào)試，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：低噪聲放大器;濾波器;ADS;Sonnet

中圖分類號：TN626 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ?文章編號：2095-1302（2014）12-00-02

0 ?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)計簡單、加工方便、加工成本低的特點。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。針對低噪聲放大器的設(shè)計，本文采用先進(jìn)的射頻仿真軟件ADS進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，對于濾波器，采用的是計算二維電路更精準(zhǔn)的Sonnet軟件。仿真軟件得到的電路版圖通過刻板、焊接、測試、調(diào)試等步驟獲得最后測試結(jié)果。

1 ?濾波器的設(shè)計

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)兩個臂的間距不宜做得太小，否則會引入較大的自耦合[1]。本文采用二分之一波長諧振器，設(shè)計了一個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ADS內(nèi)嵌的“LineCalc”工具可以計算出中心頻率1.33 GHz時的半波長諧振器的理論長度為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”形諧振的實際長度受到相鄰諧振器和饋線的影響，一般小于理論半波長。這里用電磁仿真軟件得到諧振器諧振在中心頻率點的精確尺寸。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)耦合會影響到諧振器的諧振頻率。調(diào)節(jié)“U” 形臂的長度使諧振器諧振到中心頻率點。

圖1 ?抽頭發(fā)卡濾波器

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

（1）

（2）

（3）

式中：n是濾波器的階數(shù)，i是諧振器序號，F(xiàn)BW是相對于中心頻率的歸一化帶寬，gi是濾波器低通原型中第i個元件的歸一化值。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：g0，6=1，g1，5=1.146 8，g2，4=1.3712，g3=1.975 0。根據(jù)式（1）可以計算得到耦合系數(shù)， k1，2=k4，5=0.119 9，k2，3=k3，4=0.091 4。

每個諧振器的耦合間距（S）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)的對應(yīng)關(guān)系可以利用Sonnet電磁仿真獲得。兩個耦合在一起的諧振器在電磁仿真中會出現(xiàn)兩個諧振尖峰，它們對應(yīng)的頻率點分別為fp1和fp2，則耦合系數(shù)與兩個諧振頻率的關(guān)系為：

（4）

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)的對應(yīng)關(guān)系，如圖2。

圖2 ?k與S關(guān)系

在濾波器中，帶內(nèi)的能量需要通過饋線很好地耦合進(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)驗公式，通過式（5）確定饋線初始位置。

（5）

式中：L=λg，Z0是抽頭線的特性阻抗，Zr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)。最終的實物如圖3所示。

圖3 ?濾波器實物

2 ?低噪聲放大器的設(shè)計

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，為了抑制后面各級噪聲的影響還要有一定的增益，但增益又不宜過大，否則會使混頻器過載，產(chǎn)生非線性失真[2]。

（6）

在低噪聲放大設(shè)計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)計中很難同時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：

（7）

當(dāng)滿足ΓS=Γopt達(dá)到最小噪聲匹配[3]。

如圖4，二端口網(wǎng)絡(luò)的反射系數(shù)：

（8）

（9）

當(dāng)滿足ΓS=ΓIN*與ΓL=Γ*OUT達(dá)到最大功率傳輸。

當(dāng)滿足ΓS，opt=ΓIN*時達(dá)到最小噪聲和最大功率傳。

圖4 ?放大電路等效信號流圖

圖5 ?低噪聲放大器實物

如圖5，本文選用SPF5043Z設(shè)計了一個能夠應(yīng)用到1.35～1.45 GHz的低噪聲放大器?；逋瑯硬捎媒殡姵?shù)4.4，1 mm厚的FR4板材。

3 ?實物測試

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-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同軸線級聯(lián)起來的測試結(jié)果如圖9，增益約為10 dB左右，輸入輸出反射系數(shù)小于-14 dB。

4 ?結(jié) ?語

低噪聲放大器和濾波器的最終測試結(jié)果基本滿足設(shè)計指標(biāo)。利用ADS和Sonnet等仿真工具設(shè)計放大器和濾波器大大縮短了設(shè)計周期，提高了低噪聲放大器和濾波器的設(shè)計效率。

參考文獻(xiàn)

[1] Jiasheng Hong， M.J.Lancaster. Microstrip filters for RF/microwave applications[M]. John Wiley & Sons， 2004.

[2]陳邦媛.射頻通信電路[M]. 北京： 科學(xué)出版社， 2006.

[3] Reinhold Ludwig， Gene Bogdanov. 射頻電路設(shè)計—理論與應(yīng)用[M]. 王子宇譯. 北京： 電子工業(yè)出版社， 2013.

[4] Richard J.Cameron， Chandra M.Kudsia， Raafat R.Mansour.通信系統(tǒng)微波濾波器—基礎(chǔ)、設(shè)計與應(yīng)用[M]. 王松林譯.北京： 電子工業(yè)出版社， 2012.