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叫本文采用二分之一 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。

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。

式中：是濾波器的階數(shù)，是諧振器序號，F(xiàn)BW是相對于中 心頻率的歸一化帶寬,&是濾波器低通原型中第，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:：6=1，務(wù)5=1.146 8, g2. 4=1.371 2, g3=1.975 0。根據(jù)式(1)可以計算得到耦合系數(shù),k1，=k4.5=0.119 9, k2, 3=k3, 4=0.091 4。

每個諧振器的耦合間距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￡1和原，則耦合系數(shù) 與兩個諧振頻率的關(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)的對應(yīng)關(guān)系，如圖 2。

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。

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)。最終的實物如圖3所示。

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。

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：

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) 小于一14 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。

20211223_61c45a860f5a0__L波段接收前端的設(shè)計與實現(xiàn)