L波段接收前端的設計與實現

周貝+張磊+王英豪

摘 要：射頻接收前端是現代無線通信系統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的接收靈敏度和帶外抗干擾能力。采用仿真軟件設計出一款工作在L波段的低噪聲放大器和一種發卡結構的帶通濾波器。最后經過實物的加工、測試、調試，達到了預期的設計要求。

關鍵詞：低噪聲放大器;濾波器;ADS;Sonnet

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

0 ?引 ?言

在接收機中，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用。它具有設計簡單、加工方便、加工成本低的特點。本文采用的發夾結構微帶帶通濾波器更具有結構緊湊、尺寸精小的優點。針對低噪聲放大器的設計，本文采用先進的射頻仿真軟件ADS進行優化設計，對于濾波器，采用的是計算二維電路更精準的Sonnet軟件。仿真軟件得到的電路版圖通過刻板、焊接、測試、調試等步驟獲得最后測試結果。

1 ?濾波器的設計

發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”形的折疊結構。該結構大大縮小了濾波器的尺寸，但是“U”形結構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因數、結構的大小、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4.4，介質厚度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，在諧振點處S11達到最低值。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耦合會影響到諧振器的諧振頻率。調節“U” 形臂的長度使諧振器諧振到中心頻率點。

圖1 ?抽頭發卡濾波器

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

（1）

（2）

（3）

式中：n是濾波器的階數，i是諧振器序號，FBW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。根據式（1）可以計算得到耦合系數， 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）決定著耦合系數的大小，發卡線間的物理間距與耦合系數的對應關系可以利用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兩個諧振尖峰，它們對應的頻率點分別為fp1和fp2，則耦合系數與兩個諧振頻率的關系為：

（4）

調節諧振器的耦合間距，可以獲得耦合間距與耦合系數的對應關系，如圖2。

圖2 ?k與S關系

在濾波器中，帶內的能量需要通過饋線很好地耦合進去。本文采用如圖1的抽頭饋線方式，這種方式已經有了較為精準的經驗公式，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因數。最終的實物如圖3所示。

圖3 ?濾波器實物

2 ?低噪聲放大器的設計

低噪聲放大器位于接收機的最前端，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，產生非線性失真[2]。

（6）

在低噪聲放大設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和反射系數中權衡。

放大器的噪聲系數可以表示為：

（7）

當滿足ΓS=Γopt達到最小噪聲匹配[3]。

如圖4，二端口網絡的反射系數：

（8）

（9）

當滿足ΓS=ΓIN*與ΓL=Γ*OUT達到最大功率傳輸。

當滿足ΓS，opt=ΓIN*時達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設計了一個能夠應用到1.35～1.45 GHz的低噪聲放大器。基板同樣采用介電常數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準的SMA接頭作為輸入輸出口，濾波器的S參數如圖6所示，低噪聲放大器的S參數如圖7。濾波器的帶內插損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，輸入輸出反射系數小于-14 dB。

圖8為低噪聲放大器的噪聲系數，在1.23～1.43 GHz內噪聲小于1 dB。濾波器與低噪聲放大器通過同軸線級聯起來的測試結果如圖9，增益約為10 dB左右，輸入輸出反射系數小于-14 dB。

4 ?結 ?語

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

參考文獻

[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： 科學出版社， 2006.

[3] Reinhold Ludwig， Gene Bogdanov. 射頻電路設計—理論與應用[M]. 王子宇譯. 北京： 電子工業出版社， 2013.

[4] Richard J.Cameron， Chandra M.Kudsia， Raafat R.Mansour.通信系統微波濾波器—基礎、設計與應用[M]. 王松林譯.北京： 電子工業出版社， 2012.

摘 要：射頻接收前端是現代無線通信系統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的接收靈敏度和帶外抗干擾能力。采用仿真軟件設計出一款工作在L波段的低噪聲放大器和一種發卡結構的帶通濾波器。最后經過實物的加工、測試、調試，達到了預期的設計要求。

關鍵詞：低噪聲放大器;濾波器;ADS;Sonnet

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

0 ?引 ?言

在接收機中，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用。它具有設計簡單、加工方便、加工成本低的特點。本文采用的發夾結構微帶帶通濾波器更具有結構緊湊、尺寸精小的優點。針對低噪聲放大器的設計，本文采用先進的射頻仿真軟件ADS進行優化設計，對于濾波器，采用的是計算二維電路更精準的Sonnet軟件。仿真軟件得到的電路版圖通過刻板、焊接、測試、調試等步驟獲得最后測試結果。

1 ?濾波器的設計

發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”形的折疊結構。該結構大大縮小了濾波器的尺寸，但是“U”形結構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因數、結構的大小、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4.4，介質厚度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，在諧振點處S11達到最低值。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耦合會影響到諧振器的諧振頻率。調節“U” 形臂的長度使諧振器諧振到中心頻率點。

圖1 ?抽頭發卡濾波器

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

（1）

（2）

（3）

式中：n是濾波器的階數，i是諧振器序號，FBW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。根據式（1）可以計算得到耦合系數， 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）決定著耦合系數的大小，發卡線間的物理間距與耦合系數的對應關系可以利用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兩個諧振尖峰，它們對應的頻率點分別為fp1和fp2，則耦合系數與兩個諧振頻率的關系為：

（4）

調節諧振器的耦合間距，可以獲得耦合間距與耦合系數的對應關系，如圖2。

圖2 ?k與S關系

在濾波器中，帶內的能量需要通過饋線很好地耦合進去。本文采用如圖1的抽頭饋線方式，這種方式已經有了較為精準的經驗公式，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因數。最終的實物如圖3所示。

圖3 ?濾波器實物

2 ?低噪聲放大器的設計

低噪聲放大器位于接收機的最前端，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，產生非線性失真[2]。

（6）

在低噪聲放大設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和反射系數中權衡。

放大器的噪聲系數可以表示為：

（7）

當滿足ΓS=Γopt達到最小噪聲匹配[3]。

如圖4，二端口網絡的反射系數：

（8）

（9）

當滿足ΓS=ΓIN*與ΓL=Γ*OUT達到最大功率傳輸。

當滿足ΓS，opt=ΓIN*時達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設計了一個能夠應用到1.35～1.45 GHz的低噪聲放大器。基板同樣采用介電常數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準的SMA接頭作為輸入輸出口，濾波器的S參數如圖6所示，低噪聲放大器的S參數如圖7。濾波器的帶內插損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，輸入輸出反射系數小于-14 dB。

圖8為低噪聲放大器的噪聲系數，在1.23～1.43 GHz內噪聲小于1 dB。濾波器與低噪聲放大器通過同軸線級聯起來的測試結果如圖9，增益約為10 dB左右，輸入輸出反射系數小于-14 dB。

4 ?結 ?語

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

參考文獻

[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： 科學出版社， 2006.

[3] Reinhold Ludwig， Gene Bogdanov. 射頻電路設計—理論與應用[M]. 王子宇譯. 北京： 電子工業出版社， 2013.

[4] Richard J.Cameron， Chandra M.Kudsia， Raafat R.Mansour.通信系統微波濾波器—基礎、設計與應用[M]. 王松林譯.北京： 電子工業出版社， 2012.

摘 要：射頻接收前端是現代無線通信系統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的接收靈敏度和帶外抗干擾能力。采用仿真軟件設計出一款工作在L波段的低噪聲放大器和一種發卡結構的帶通濾波器。最后經過實物的加工、測試、調試，達到了預期的設計要求。

關鍵詞：低噪聲放大器;濾波器;ADS;Sonnet

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

0 ?引 ?言

在接收機中，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用。它具有設計簡單、加工方便、加工成本低的特點。本文采用的發夾結構微帶帶通濾波器更具有結構緊湊、尺寸精小的優點。針對低噪聲放大器的設計，本文采用先進的射頻仿真軟件ADS進行優化設計，對于濾波器，采用的是計算二維電路更精準的Sonnet軟件。仿真軟件得到的電路版圖通過刻板、焊接、測試、調試等步驟獲得最后測試結果。

1 ?濾波器的設計

發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”形的折疊結構。該結構大大縮小了濾波器的尺寸，但是“U”形結構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因數、結構的大小、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4.4，介質厚度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，在諧振點處S11達到最低值。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耦合會影響到諧振器的諧振頻率。調節“U” 形臂的長度使諧振器諧振到中心頻率點。

圖1 ?抽頭發卡濾波器

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

（1）

（2）

（3）

式中：n是濾波器的階數，i是諧振器序號，FBW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。根據式（1）可以計算得到耦合系數， 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）決定著耦合系數的大小，發卡線間的物理間距與耦合系數的對應關系可以利用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兩個諧振尖峰，它們對應的頻率點分別為fp1和fp2，則耦合系數與兩個諧振頻率的關系為：

（4）

調節諧振器的耦合間距，可以獲得耦合間距與耦合系數的對應關系，如圖2。

圖2 ?k與S關系

在濾波器中，帶內的能量需要通過饋線很好地耦合進去。本文采用如圖1的抽頭饋線方式，這種方式已經有了較為精準的經驗公式，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因數。最終的實物如圖3所示。

圖3 ?濾波器實物

2 ?低噪聲放大器的設計

低噪聲放大器位于接收機的最前端，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，產生非線性失真[2]。

（6）

在低噪聲放大設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和反射系數中權衡。

放大器的噪聲系數可以表示為：

（7）

當滿足ΓS=Γopt達到最小噪聲匹配[3]。

如圖4，二端口網絡的反射系數：

（8）

（9）

當滿足ΓS=ΓIN*與ΓL=Γ*OUT達到最大功率傳輸。

當滿足ΓS，opt=ΓIN*時達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設計了一個能夠應用到1.35～1.45 GHz的低噪聲放大器。基板同樣采用介電常數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準的SMA接頭作為輸入輸出口，濾波器的S參數如圖6所示，低噪聲放大器的S參數如圖7。濾波器的帶內插損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，輸入輸出反射系數小于-14 dB。

圖8為低噪聲放大器的噪聲系數，在1.23～1.43 GHz內噪聲小于1 dB。濾波器與低噪聲放大器通過同軸線級聯起來的測試結果如圖9，增益約為10 dB左右，輸入輸出反射系數小于-14 dB。

4 ?結 ?語

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

參考文獻

[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： 科學出版社， 2006.

[3] Reinhold Ludwig， Gene Bogdanov. 射頻電路設計—理論與應用[M]. 王子宇譯. 北京： 電子工業出版社， 2013.

[4] Richard J.Cameron， Chandra M.Kudsia， Raafat R.Mansour.通信系統微波濾波器—基礎、設計與應用[M]. 王松林譯.北京： 電子工業出版社， 2012.