孫艷麗，劉曉娣，張晨亮，甄喆

（海軍航空大學(xué)，山東煙臺264001）

借助模塊化結(jié)構(gòu)的方式，針對文中研究的特高頻無線發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中包含多個(gè)模塊，如360 MHz 的數(shù)字信號源、140 MHz 的中頻放大器、中頻濾波器、四象限乘法幅度調(diào)制、500 MHz 的上變頻、可控增益放大器、帶通濾波以及功率放大器、發(fā)射天線等模塊[1-3]。

采用2 kHz 的調(diào)制信號對140 MHz 的本地載波進(jìn)行幅度調(diào)制，形成140 MHz±2 kHz 的已調(diào)波。通過140 MHz 中放對已調(diào)波進(jìn)行濾波和放大。濾波器的作用是濾除AM 調(diào)制產(chǎn)生的高頻組合波干擾(但對三階互調(diào)無抑制能力)[4-6]。二次變頻是頻率為140 MHz±2 kHz 的信號對第二本地載波進(jìn)行調(diào)幅并取上邊帶，二次變頻后的信號為500 MHz±2 kHz。VGA 是可變增益放大器，可以對已調(diào)波信號進(jìn)行放大，輸出信號為-32～2.1 dB，增益可變近30 dB。功放是對已調(diào)波進(jìn)行放大，其增益約30 dB。以上模塊幅度調(diào)制采用AD835，可控增益放大器采用GALI-74、EVA1500，其均采用集成芯片，不需要單獨(dú)設(shè)計(jì)阻抗匹配。

借助相應(yīng)的濾波軟件可以實(shí)現(xiàn)對中頻濾波放大器的研究設(shè)計(jì)。而由分立器件構(gòu)成的功率放大器及上變頻濾波電路均需考慮阻抗匹配，所以該文主要對這兩個(gè)模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)與仿真。

1 上變頻電路仿真設(shè)計(jì)

上變頻器的仿真設(shè)計(jì)主要利用ADS 對雙平衡二極管的輸入匹配電路和輸出濾波電路進(jìn)行仿真，射頻信號輸入為0.1 GHz，本振信號仍然為0.4 GHz，最終將信號上變頻至0.5 GHz。其指標(biāo)為：變頻損耗不超過-25 dB；噪聲系數(shù)不超過15 dB。輸出信號和本振信號的頻率相差不大，所以需要通過設(shè)計(jì)帶通濾波器至輸出端以濾除本振及鏡像，而且這個(gè)帶通濾波器的通帶相對較窄，因此要犧牲帶內(nèi)衰減來實(shí)現(xiàn)，所以該上變頻器的變頻損耗不會(huì)太高，在實(shí)際應(yīng)用中可以考慮采用定制濾波器的方式實(shí)現(xiàn)較小的變頻損耗[7-8]。

1.1 上變頻器的射頻輸入電路仿真

混頻器是一個(gè)三端口電路，兩個(gè)輸入信號的功率和相位都有明確要求，而且兩個(gè)輸入信號通路之間必須要有較大的隔離度，因此輸入電路是整個(gè)電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，一般情況下采用3 dB 支節(jié)耦合器，將兩路輸入信號相位偏移90°，同時(shí)加到兩個(gè)二極管的兩端[9-10]。ADS 仿真軟件中有專門的支節(jié)耦合器模塊，在原理圖中選擇正交混合網(wǎng)絡(luò)并設(shè)置參數(shù)，如圖1所示。

圖1 上變頻電橋電路

由于該處兩個(gè)輸入信號頻率相差較遠(yuǎn)，一個(gè)是100 MHz，另一個(gè)是400 MHz，相差了3 個(gè)倍頻層，因此可先根據(jù)其中一個(gè)輸入信號生成一個(gè)電路模型，后續(xù)需要根據(jù)實(shí)際電路運(yùn)行的效果對各個(gè)電壁長度進(jìn)行優(yōu)化。

1.2 上變頻器濾波電路仿真設(shè)計(jì)

因?yàn)?00 MHz 的射頻和400 MHz 的本振會(huì)產(chǎn)生300 MHz 的差頻、500 MHz 的和頻以及它們之間的互調(diào)，有些在500 MHz以上，因此必須設(shè)計(jì)一個(gè)500 MHz的帶通濾波器，通帶不能過寬，而且在400 MHz 和600 MHz 附近必須要有足夠的衰減。在ADS 軟件中，可以利用設(shè)計(jì)向?qū)е苯由?，在原理圖中選擇一個(gè)帶通濾波器的模型[11]。第一步進(jìn)行帶通濾波器設(shè)置：設(shè)置450～550 MHz 范圍的通帶頻率，400 MHz、600 MHz 的截止頻率以及0.5 dB 的帶內(nèi)平坦度，截止頻率衰減20 dB 等。通過對子電路圖的研究分析，能夠構(gòu)建出詳細(xì)的電路圖。通過仿真結(jié)果能夠基本判斷出其性能滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，但是電感和電容的值較小，如果換成實(shí)際型號產(chǎn)品，最終結(jié)果會(huì)有一定的變化。

將濾波電路中的電感和電容由仿真中的理想值換成實(shí)際型號產(chǎn)品，對其進(jìn)行S參數(shù)仿真，得出的結(jié)果如圖2所示。

圖2 S參數(shù)仿真圖

根據(jù)圖2所示，能夠發(fā)現(xiàn)，濾波器帶內(nèi)衰減為-9.7 dB，而且400 MHz 和600 MHz 處的衰減分別為-31 dB 和-36.6 dB，帶內(nèi)衰減數(shù)據(jù)比較大，但滿足要求。

1.3 加入混頻二極管構(gòu)建的仿真電路

混頻二極管是一種專用的二極管，其非線性模型的準(zhǔn)確性對整個(gè)仿真設(shè)計(jì)至關(guān)重要[12]，一般二極管廠家都會(huì)提供相應(yīng)的仿真模型，文中使用的是Broadcom 公司的HMPS-282x 系列混頻二極管。在輸入輸出電路都設(shè)計(jì)完成之后，將混頻二極管添加到電路內(nèi)。按照設(shè)計(jì)的原理圖，添加匹配電感和電容。

1.4 諧波仿真優(yōu)化

文中設(shè)計(jì)了頻率為400 MHz 的輸入電路，然而實(shí)際是400 MHz 以及100 MHz 的頻率，而且兩者相差較遠(yuǎn)，因此必須在整個(gè)電路模型中對其進(jìn)行優(yōu)化，在優(yōu)化的過程中可以加上匹配電路的變量（C1和L2），可以更準(zhǔn)確地得出想要的結(jié)果。

整個(gè)仿真電路搭建完成后要進(jìn)行諧波仿真優(yōu)化[13]。在原理圖中添加諧波仿真模型。在諧波仿真模型中設(shè)置兩個(gè)輸入信號的頻率，分別為0.4 GHz 和0.1 GHz。設(shè)置好優(yōu)化目標(biāo)后，就需要設(shè)置電路中的變量值，由于輸出電路為帶通濾波器，前面已經(jīng)確認(rèn)了具體產(chǎn)品型號，因此無需將其設(shè)置成變量。輸入電路中的微帶線長度和寬度、匹配電路中電感和電容值，可以作為變量，利用ADS 的自動(dòng)優(yōu)化功能對其進(jìn)行優(yōu)化[14]。

如圖3所示，輸出含有500 MHz的分量為兩輸入信號的混頻，且本振信號0.4 GHz 和射頻信號0.1 GHz均被濾波至-40 dBm 以下。因?yàn)檩斎胄盘枮?0 dBm，輸出信號為-12.3 dBm，因此該變頻電路的變頻損耗為22 dB，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。由于本振信號的功率在仿真時(shí)設(shè)置為10 dB，可以在電路圖中調(diào)整本振信號的功率再仿真，可以將輸出信號的功率調(diào)整到合適的大小。

圖3 優(yōu)化后仿真圖

變頻器的噪聲系數(shù)跟本振信號的功率有關(guān)系，因此可以通過設(shè)置本振功率掃描的方式查看噪聲系數(shù)的變化情況，設(shè)置本振功率的掃描范圍為-10～10 dBm，掃描間隔為1 dBm。當(dāng)本振功率為6 dBm 時(shí)，變頻器具有最小的噪聲系數(shù)13.6，但當(dāng)本振功率為-10 dBm 時(shí)，噪聲系數(shù)有一個(gè)明顯的惡化，等于30.6。仿真結(jié)果說明在保持較小變頻損耗的情況下，合理調(diào)整本振信號的大小可以使電路的噪聲系數(shù)趨于最小化。

2 功率放大器仿真設(shè)計(jì)

在發(fā)射系統(tǒng)中，基本的電路是由幾個(gè)放大器級聯(lián)構(gòu)成的，故放大器是發(fā)射系統(tǒng)的核心，所以設(shè)計(jì)一款好的放大器是十分重要的[15]。完整的功率放大器設(shè)計(jì)通常有以下幾個(gè)步驟：1）安裝DesignKit 模型；2）直流DC 掃描；3）穩(wěn)定性K分析；4）負(fù)載牽引；5）源牽引；6）Smith 原圖匹配；7）偏置電路設(shè)計(jì)及整體電路設(shè)計(jì)；8）原理圖優(yōu)化。由于步驟4）、5）、6）涉及到的射頻微波知識較多，仿真過程復(fù)雜，可直接采用常用的LC 匹配電路模型代替，模型中電容電感值運(yùn)用優(yōu)化功能進(jìn)行自動(dòng)生成，可簡化設(shè)計(jì)步驟為：1）安裝DesignKit 模型；2）直流DC 掃描；3）穩(wěn)定性K分析；4）偏置電路設(shè)計(jì)及整體電路設(shè)計(jì)；5）原理圖初步優(yōu)化；6）加入實(shí)際電容產(chǎn)品模型，再次優(yōu)化電感值；7）加入實(shí)際電感產(chǎn)品模型，手動(dòng)微調(diào)電感值。其指標(biāo)為增益G大于20 dB；最大輸出功率為2 W。

2.1 直流掃描

將從飛思卡爾官網(wǎng)下載的“RF_POWER_ADS 2014.DK.zip”及“AFT27S006N_MDL_ADS”解壓至工程中，插入掃描模板并設(shè)置掃描參數(shù)。仿真并顯示數(shù)據(jù)，該設(shè)計(jì)選擇的工作點(diǎn)為Vds=28 V，Vgs=1.8 V。

2.2 穩(wěn)定性分析

從功率器件列表中調(diào)出功放芯片，并從“Lumped-Component”元器件列表中調(diào)出DC-Feed和DC-Block，從“Source-Freq Domain”元器件列表中調(diào)出直流電壓控件V-DC，從“Simulation-S-Param”元器件列表中調(diào)出測量穩(wěn)定因子的控件Stabfact。用導(dǎo)線將各元器件連接好即可。設(shè)置300 MHz 的起始頻率、700 MHz 終止頻率、10 MHz 步進(jìn)的掃描參數(shù)，可得到小于1 的穩(wěn)定系數(shù)值。提高穩(wěn)定系數(shù)通常有兩種方式，一種是將一個(gè)小電阻通過串聯(lián)方式添加至隔直電容之后；另一種是在靠近功率管的引腳處并聯(lián)一個(gè)RC 網(wǎng)絡(luò)到接地。該設(shè)計(jì)選擇第一種方式，可獲得在頻帶內(nèi)穩(wěn)定系數(shù)大于1，穩(wěn)定性較好的系統(tǒng)。

2.3 偏置及完整電路設(shè)計(jì)

高頻放大器偏置電路的主要目的是為了將直流電平加到放大器的兩端，同時(shí)又不能妨礙主路上高頻信號傳輸，為了做到這一點(diǎn)，通常采用微帶短路短截線實(shí)現(xiàn)，即該短截線的輸入電抗設(shè)計(jì)為高頻信號的四分之一波長，但該設(shè)計(jì)中為了簡便起見，用一個(gè)高Q值的電感代替，同樣能起到通直流隔交流的目的，如圖4完整原理圖中的L5，L6。

圖4 功率放大器原理圖

采用常見的LC 輸入輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖[16]，其中的電容、電感可事先大概設(shè)定一個(gè)值，之后會(huì)通過優(yōu)化功能進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。在原電路添加輸入輸出匹配電路，并用電感替換偏置電路。輸入匹配采用了三級LC 電路網(wǎng)絡(luò)，是為了下一步優(yōu)化仿真時(shí)能夠有更多的變量可進(jìn)行調(diào)整，提升優(yōu)化的精確度。

2.4 整機(jī)仿真及初步優(yōu)化

根據(jù)實(shí)際調(diào)試經(jīng)驗(yàn)看來，計(jì)算出來的匹配電路也經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生較大誤差，另外偏置電路的引入也會(huì)使得放大器的匹配部分失調(diào)，因此，整個(gè)電路搭建好后，最關(guān)鍵的部分就是對整個(gè)電路進(jìn)行優(yōu)化仿真。通過ADS 中的自動(dòng)優(yōu)化功能對部分參數(shù)變量進(jìn)行優(yōu)化，通過設(shè)計(jì)預(yù)期目標(biāo)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)更改變量值，直到滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)[17]。

由于工作點(diǎn)等已經(jīng)仿真過，無需再次優(yōu)化，只需要對輸入輸出匹配的微帶線進(jìn)行優(yōu)化。在優(yōu)化的過程中，如果優(yōu)化目標(biāo)遲遲不能接近，可以考慮加大變量的邊界，或者更改變量的個(gè)數(shù)，最終的仿真優(yōu)化結(jié)果如圖5所示，包括S21 和S11 等。根據(jù)該結(jié)果可知，當(dāng)系統(tǒng)處于工作頻率范圍內(nèi)，回波參數(shù)和增益均滿足需求。

圖5 仿真優(yōu)化結(jié)果圖

2.5 電容模型添加以及電感值優(yōu)化

由于匹配電路中選取的電容和電感都是理想器件，實(shí)際元器件還會(huì)存在部分寄生參數(shù)，因此使仿真結(jié)果與實(shí)際電路盡量接近，需要將實(shí)際電感和電容模型加入到電路中，再次進(jìn)行優(yōu)化[18]。由于實(shí)際元器件模型不具備優(yōu)化的功能，因此需要分步將所有的電容電感替換成實(shí)際模型，此處先將電容替換成實(shí)際元器件模型。ADS 軟件自帶了一些廠家的電容和電感模型，但不全，因此需要先去廠家官網(wǎng)下載相應(yīng)的模型庫，該實(shí)驗(yàn)所選取的是日本春田公司的電容電感，下載其器件庫至本地文件夾。春田公司生產(chǎn)的GRM18 系列薄膜型電容精度高，適合用于匹配電路中。替換了實(shí)際電容值以后，經(jīng)過仿真，原理圖中的理想電感值已經(jīng)發(fā)生了變化，按照最新的電感值，選擇最接近的實(shí)際元器件模型代替，電感模型同樣選擇的是春田公司生產(chǎn)的繞線電感LQW18AN系列。

用實(shí)際電感替換理想電感后，電路的特性同樣會(huì)發(fā)生變化，但此時(shí)的變化不大，通過手動(dòng)更改部分電感的值，或者將電容的值稍作變化，能夠比較方便的找到目前系統(tǒng)的最佳狀態(tài)，需要說明的是，此時(shí)的電路性能包括增益和回波損耗肯定不如初步仿真的結(jié)果，由于那些是假定的情況，實(shí)際的電感和電容元件值不會(huì)剛好是與仿真值相同的產(chǎn)品，性能略差是正?，F(xiàn)象，但此時(shí)的仿真結(jié)果是最接近實(shí)際情況的，只要按照仿真的結(jié)果采購器件，最終的實(shí)際電路不會(huì)有太大偏差。

3 結(jié) 論

文中借助ADS 強(qiáng)大的設(shè)計(jì)功能，采用常見阻抗匹配電路模型通過簡單的操作技巧完成對電路的仿真設(shè)計(jì)，替代傳統(tǒng)的由經(jīng)驗(yàn)豐富的射頻工程師多次調(diào)試、多次改版、反復(fù)試驗(yàn)的方法，具有較強(qiáng)的實(shí)際工程操作性。