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[导读]摘 要:射频接收前端是现代无线通信系统的重要组成部分之一。其中,低噪声放大器和滤波器的性能直接影响着接收机的接收灵敏度和带外抗干扰能力。采用仿真软件设计出一款工作在L波段的低噪声放大器和一种发卡结构的带通滤波器。最后经过实物的加工、测试、调试,达到了预期的设计要求。

引言

在接收机中,滤波器一般直接接在接收天线后面,起到 频带选择的作用。微带滤波器在射频微波通信电路中有着广 泛的应用。它具有设计简单、加工方便、加工成本低的特点。 本文采用的发夹结构微带带通滤波器更具有结构紧凑、尺寸 精小的优点。针对低噪声放大器的设计,本文采用先进的射 频仿真软件ADS进行优化设计,对于滤波器,采用的是计算 二维电路更精准的Sonnet软件。仿真软件得到的电路版图通 过刻板、焊接、测试、调试等步骤获得最后测试结果。

1濾波器的设计

发卡滤波器的基本原理与平行耦合滤波器的基本原理大 同小异,只是谐振器的形式采用“U”形的折叠结构。该结构 大大缩小了滤波器的尺寸,但是“U”形结构两个臂的间距不 宜做得太小,否则会引入较大的自耦合叫本文采用二分之一 波长谐振器,设计了一个1.23〜1.43 GHz的5阶切比雪夫带 通滤波器。

兼顾到谐振器的品质因数、结构的大小、加工的难度等 诸多因素,选取谐振器的微带宽度为1 mm。通过ADS内嵌 的“LineCalc”工具可以计算出中心频率1.33 GHz时的半波长 谐振器的理论长度为63.5 mm (采用介电常数4.4,介质厚度 1mm,损耗角正切0.035的FR4板材)。“U”形谐振的实际长 度受到相邻谐振器和馈线的影响,一般小于理论半波长。这 里用电磁仿真软件得到谐振器谐振在中心频率点的精确尺寸。 在“U”形谐振器的一端添加耦合馈线获得它的S参数,在谐 振点处S11达到最低值。值得注意的是耦合馈线与谐振器不宜 太近,否则馈线与谐振器的强耦合会影响到谐振器的谐振频 率。调节“U”形臂的长度使谐振器谐振到中心频率点。

L波段接收前端的设计与实现

如图 1,“U”形谐振器通过级联耦合而成。耦合系数 k 和外部品质因数可以通过低通原型的基本参数计算得到。

式中:是滤波器的阶数,是谐振器序号,FBW是相对于中 心频率的归一化带宽,&是滤波器低通原型中第,个元件的归 一化值。中心频率1.33 GHz,带宽0.2 GHz,带内波纹0.1 dB 的5阶切比雪夫低通原型参::6=1,务5=1.146 8, g2. 4=1.371 2, g3=1.975 0。根据式(1)可以计算得到耦合系数,k1,=k4.5=0.119 9, k2, 3=k3, 4=0.091 4。

每个谐振器的耦合间距⑸决定着耦合系数的大小,发 卡线间的物理间距与耦合系数的对应关系可以利用Sonnet电 磁仿真获得。两个耦合在一起的谐振器在电磁仿真中会出现两 个谐振尖峰,它们对应的频率点分别为£1和原,则耦合系数 与两个谐振频率的关系为:

调节谐振器的耦合间距,可以获得耦合间距与耦合系数的对应关系,如图 2。

在滤波器中,带内的能量需要通过馈线很好地耦合进去。 本文采用如图1的抽头馈线方式,这种方式已经有了较为精准 的经验公式,通过式(5)确定馈线初始位置。

式中:或g, Z。是抽头线的特性阻抗,Z,是谐振器的特性阻抗, Qe是输入输出端的外部品质因数。最终的实物如图3所示。

2低噪声放大器的设计

低噪声放大器位于接收机的最前端,这就要求它的噪声 越小越好,为了抑制后面各级噪声的影响还要有一定的增益, 但增益又不宜过大,否则会使混频器过载,产生非线性失真。

在低噪声放大设计中往往需要引入匹配电路获得最大功 率和最小噪声传输。但是,一般的设计中很难同时获得最大 增益和最小噪声,所以需要在噪声系数和反射系数中权衡。

放大器的噪声系数可以表示为:

当满足rs=r^l达到最小噪声匹配叫

如图4,二端口网络的反射系数:

如图5,本文选用SPF5043Z设计了一个能够应用到 1.35〜1.45 GHz的低噪声放大器。基板同样采用介电常数4.4, 1 mm厚的FR4板材。

3实物测试

滤波器和低噪声放大器都采用标准的SMA接头作为输入 输出口,滤波器的S参数如图6所示,低噪声放大器的S参数 如图7。滤波器的带内插损3 dB左右,回波损耗小于15 dB。 低噪声放大器在1.23〜1.43 GHz的增益平坦度小于1.2 dB,输 入输出反射系数小于一14 dB。

图8为低噪声放大器的噪声系数,在1.23〜1.43 GHz内 噪声小于1 dB。滤波器与低噪声放大器通过同轴线级联起来 的测试结果如图9,增益约为10 dB左右,输入输出反射系数 小于一14 dB。

4结语

低噪声放大器和滤波器的最终测试结果基本满足设计指 标。利用ADS和Sonnet等仿真工具设计放大器和滤波器大 大缩短了设计周期,提高了低噪声放大器滤波器的设计效率。

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