摘要：選頻放大模組包括兩級(jí)平衡放大電路和微帶帶通濾波器，根據(jù)選頻放大模組的選頻特性及模組集成化要求，采用微帶帶通濾波器以及低噪聲IC器件，應(yīng)用ADS的Momentum仿真器對(duì)整個(gè)選頻放大模組進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。使得該模組具有低噪聲、高選擇性、高增益、集成度高、小型化等優(yōu)點(diǎn)。

　　關(guān)鍵詞：濾波器 ,平衡放大電路,詣?wù)袂?內(nèi)摺式結(jié)構(gòu)

　　引言

　　隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì), 對(duì)通信系統(tǒng)的性能要求越來越高，要具有寬頻帶、低噪聲、大動(dòng)態(tài)、高穩(wěn)定[1]。因此微波濾波和放大器件在通信系統(tǒng)中起著越來越重要的作用。性能良好的濾波和放大器件能充分利用頻率資源、擴(kuò)充系統(tǒng)容量、很好地抑制帶外信號(hào)的干擾、改善通信服務(wù)[2]。目前無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，許多微波單片集成電路(MMIC)具有良好的性能價(jià)格比，也為通信系統(tǒng)提供微電子化和模塊化的基礎(chǔ)。

　　經(jīng)天線進(jìn)入雷達(dá)接收機(jī)的微弱信號(hào)首先要經(jīng)放大器和濾波器進(jìn)行放大和濾波。對(duì)于不同波段的接收機(jī)，濾波器可能放置在放大器之前或之后，濾波器放在放大器之前，對(duì)雷達(dá)抗干擾和抗飽和能力很有好處，但是濾波器的損耗增加了接收機(jī)的噪聲;濾波器放置在放大器之后，對(duì)接收系統(tǒng)的靈敏度和噪聲系數(shù)有好處，但抗干擾和抗飽和能力將變差。由于接收機(jī)的靈敏度受噪聲電平的限制，因此要提高靈敏度就必須減少噪聲電平，要減少噪聲電平，首先是抑制外部的干擾，其次是盡量減小接收機(jī)內(nèi)部的噪聲，因此接收機(jī)一般都要采用低噪聲放大器和匹配濾波器。接收機(jī)選擇所需要的信號(hào)而濾除鄰頻干擾的能力，與內(nèi)部頻率的選擇以及接收機(jī)高、中頻部分的頻率特性有關(guān)。在保證可以接收到所需信號(hào)的條件下，帶寬越窄或諧振曲線的矩形系數(shù)越好，則濾波性能越高，所受到的鄰頻干擾也就越小。濾波器的選用對(duì)本設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。

　　濾波器的頻帶寬度和頻率特性影響著濾波作用的好壞，直接關(guān)系接收機(jī)的靈敏度與波形失真等重要指標(biāo)。對(duì)于不同的輸入信號(hào)和噪聲干擾，為使輸出端的信噪比最大或波形失真最小，需要濾波器有一個(gè)最佳的頻帶寬度和頻率特性形狀，以實(shí)現(xiàn)最佳濾波。隨著低噪聲放大器的普遍使用，減小接收機(jī)內(nèi)部噪聲的空間已經(jīng)很小，在接收機(jī)中采用匹配濾波器是一種提高信噪比的常用方法。在濾波器設(shè)計(jì)中面臨的首要問題就是根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求確定電路的轉(zhuǎn)移函數(shù) [3]。以插入衰減理論為基礎(chǔ)的濾波器設(shè)計(jì)方法包括三個(gè)步驟：(1)規(guī)定一個(gè)理想的衰減特性;(2)用一個(gè)可實(shí)現(xiàn)的有理函數(shù)來逼近這個(gè)特性;(3)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)綜合理論，把這個(gè)函數(shù)綜合成一個(gè)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)，按照這種方法設(shè)計(jì)的濾波器，其實(shí)際特性與規(guī)定的可以十分接近。

　　微帶濾波器因體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)在微波平面電路中有較為廣泛的應(yīng)用[4]。微帶濾波器常用的有平行耦合線濾波器和交指濾波器，雖然平行耦合微帶帶通濾波器具有重量輕，易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)[5]，但諧振器在一個(gè)方向依次擺開，占用的電路平面面積大。而微帶交指濾波器有接地的要求，在實(shí)際加工中不可避免地引入損耗。類橢圓函數(shù)濾波器的電性能好、體積小，在帶外實(shí)現(xiàn)了兩對(duì)衰減極點(diǎn)，能明顯地改善濾波器的帶外特性，在提高了濾波器選擇性的同時(shí)減小了插入損耗[6]。因此，選擇類橢圓函數(shù)微帶濾波器作為選頻放大模組中的濾波器。根據(jù)阻帶衰減指標(biāo),選擇濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),先確定階數(shù)和傳輸零點(diǎn)數(shù)量及位置的初值,再代入傳輸函數(shù)多項(xiàng)式,用軟件編程試驗(yàn)傳輸零點(diǎn)的位置,獲得歸一化的頻響圖,看是否滿足阻帶要求。這是一個(gè)反復(fù)的過程[7]。為了縮小整體電路的面積，濾波器采用四個(gè)諧振腔階數(shù)為四階，且諧振腔采用內(nèi)摺式結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)布局如(圖1)。單個(gè)諧振腔回路的長(zhǎng)度由中心頻率來確定，普通的諧振腔其長(zhǎng)度一般為波長(zhǎng)的1/2。其耦合系數(shù)K為： 類橢圓函數(shù)響應(yīng)介于切比雪夫響應(yīng)和橢圓函數(shù)響應(yīng)之間，在通帶和阻帶均會(huì)產(chǎn)生波紋，在有限頻率有一對(duì)傳輸零點(diǎn)。與傳統(tǒng)的切比雪夫響應(yīng)相比，類橢圓函數(shù)響應(yīng)有更陡峭的邊帶特性，與橢圓函數(shù)相比更便于實(shí)現(xiàn)。

　　類橢圓函數(shù)的低通響應(yīng)公式為：

　　其中定義特征函數(shù)F(ω)：

　　式中zk和pk分別是特征函數(shù)的零點(diǎn)和極點(diǎn)。

　　(圖1) 四階內(nèi)摺式類橢圓函數(shù)濾波器

　　已知所設(shè)計(jì)的濾波器的技術(shù)指標(biāo)為：

　　中心頻率:ƒ0=1.95GHz 3dB;帶寬為BW=60MHz;帶外抑制度:≥60 dB;通帶衰減:3.0 ≤ dB;介質(zhì)片的相對(duì)介電常數(shù)εr=9.6;厚度h = 0.5 m m。

　　圖2濾波器仿真結(jié)果

　　(圖3) 選頻放大模組電路圖

　　類橢圓函數(shù)濾波器沒有成熟的逼近函數(shù)和綜合理論，它的傳輸函數(shù)或耦合矩陣多采用優(yōu)化的方法來得到[8]。由于內(nèi)摺式結(jié)構(gòu)末端耦合線的電容效應(yīng)，所以無法準(zhǔn)確算出諧振電路的長(zhǎng)度，需借助CAD軟件進(jìn)行仿真確定。根據(jù)上面設(shè)計(jì)的參數(shù)作為原始參數(shù)，使用ADS的Momentum仿真器對(duì)濾波器進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。(圖2)是仿真四階類橢圓函數(shù)濾波器的結(jié)果。從結(jié)果中可以看到，濾波器的中心頻率在1.95GHz附近，稍微有些偏差，不過這偏差在允許范圍內(nèi)。在1.95GHz的插損為-2.78dB，在1920MHz~1980MHz的插損為-2.7dB~-3.1dB，帶內(nèi)波動(dòng)為0.3dB，回波損耗小于-15dB。

　　本次設(shè)計(jì)的選頻濾波放大模組主要是考慮模組要具有低噪聲、高選擇性、高增益。在兩級(jí)放大器中間插入一個(gè)濾波器，放大器采用的是平衡式低噪聲放大器，我們選用了Avego 公司的ATF-55143低噪聲場(chǎng)效應(yīng)晶體管。模組的電路組成是包括兩級(jí)平衡放大電路和四階類橢圓函數(shù)微帶帶通濾波器。利用Momentum的版圖元件和原理圖元件協(xié)同仿真(Co-Simulation)功能，對(duì)整個(gè)選頻放大模組進(jìn)行仿真。選頻放大模組的仿真電路圖如(圖3)。利用ADS軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助仿真分析,保證選頻放大模組的穩(wěn)定性,在增益、噪聲系數(shù)、輸入輸出駐波比等幾項(xiàng)指標(biāo)中取折衷以達(dá)到最終要求,從而確定匹配網(wǎng)絡(luò)和直流偏置的參數(shù)。仿真時(shí)，電路中的參數(shù)均采用平衡式低噪聲放大器和濾波器的最終仿真參數(shù)，以便于對(duì)比。仿真結(jié)果如(圖4)所示。從仿真結(jié)果得到，選放帶內(nèi)增益為36dB~36.5dB，帶內(nèi)波動(dòng)為0.5dB，帶內(nèi)回波損耗均小于-15dB，帶內(nèi)噪聲系數(shù)為0.6dB~0.62dB，且選頻放大模組在整個(gè)頻帶K>1，都是穩(wěn)定的。

　　本文從采用微帶帶通濾波器進(jìn)行選頻以及采用低噪聲放大器的器件出發(fā),進(jìn)行了1.95GHz頻段的類橢圓函數(shù)微帶帶通濾波器設(shè)計(jì)和選頻放大模組的設(shè)計(jì)。采用了ADS軟件對(duì)該濾波器和模組進(jìn)行了優(yōu)化仿真設(shè)計(jì),既減輕了設(shè)計(jì)者的工作量,又提高了設(shè)計(jì)精度和設(shè)計(jì)效率。實(shí)物測(cè)試結(jié)果與仿真設(shè)計(jì)結(jié)果、設(shè)計(jì)指標(biāo)吻合較好。該選頻放大模組具有低噪聲、高選擇性、高增益、集成度高、體積小等優(yōu)點(diǎn)。適合作為無線通信前端關(guān)鍵部件。 (圖4)選頻放大模組仿真的增益和駐波比

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]弋穩(wěn).雷達(dá)接收機(jī)技術(shù)[M ]. 北京:電子工業(yè)出版社, 2005.16

　　[2] 吳東升 包建曄發(fā) 夾式耦合線微帶濾波器的設(shè)計(jì)[J] 科技資訊 2007(5) 29-31

　　[3] 邱關(guān)源 現(xiàn)代電路理論[M] (北京)：高等教育出版社，2005;50

　　[4] 李勝先 吳須大 微帶類橢圓函數(shù)濾波器[J] 空間電子技術(shù) 2001(3) 48-52

　　[5] 　夏祖學(xué),等:平行耦合微帶線帶通濾波器設(shè)計(jì)與測(cè)試[J] 西南科技大學(xué)學(xué)報(bào) 2010 25(2) 72-75

　　[6]禹旭敏 吳須大 L波段類橢圓函數(shù)微帶濾波器 [J]空間電子技術(shù) 2002(1)45-47

　　[7] 鄒驥 孫京秋 謝庭芳 準(zhǔn)橢圓函數(shù)帶通濾波器的一般設(shè)計(jì)方法[J]電視技術(shù) 200747(3)110-112

　　[8] 李勝先 吳須大 基于遺傳算法的微帶類橢圓函數(shù)濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J] 空間電子技術(shù) 2002(3) 60-65