摘要：選頻放大模組包括兩級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仿真器對整個選頻放大模組進行仿真設(shè)計。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。

　　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, 對通信系統(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、擴充系統(tǒng)容量、很好地抑制帶外信號的干擾、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)天線進入雷達接收機的微弱信號首先要經(jīng)放大器和濾波器進行放大和濾波。對于不同波段的接收機，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，對雷達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的噪聲;濾波器放置在放大器之后，對接收系統(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內(nèi)部的噪聲，因此接收機一般都要采用低噪聲放大器和匹配濾波器。接收機選擇所需要的信號而濾除鄰頻干擾的能力，與內(nèi)部頻率的選擇以及接收機高、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。濾波器的選用對本設(shè)計是關(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)系接收機的靈敏度與波形失真等重要指標。對于不同的輸入信號和噪聲干擾，為使輸出端的信噪比最大或波形失真最小，需要濾波器有一個最佳的頻帶寬度和頻率特性形狀，以實現(xiàn)最佳濾波。隨著低噪聲放大器的普遍使用，減小接收機內(nèi)部噪聲的空間已經(jīng)很小，在接收機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)計中面臨的首要問題就是根據(jù)技術(shù)指標要求確定電路的轉(zhuǎn)移函數(shù) [3]。以插入衰減理論為基礎(chǔ)的濾波器設(shè)計方法包括三個步驟：(1)規(guī)定一個理想的衰減特性;(2)用一個可實現(xiàn)的有理函數(shù)來逼近這個特性;(3)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)綜合理論，把這個函數(shù)綜合成一個實際網(wǎng)絡(luò)，按照這種方法設(shè)計的濾波器，其實際特性與規(guī)定的可以十分接近。

　　微帶濾波器因體積小、結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、成本低等優(yōu)點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，易于實現(xiàn)等優(yōu)點[5]，但諧振器在一個方向依次擺開，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，在帶外實現(xiàn)了兩對衰減極點，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,選擇濾波器的拓撲結(jié)構(gòu),先確定階數(shù)和傳輸零點數(shù)量及位置的初值,再代入傳輸函數(shù)多項式,用軟件編程試驗傳輸零點的位置,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)。單個諧振腔回路的長度由中心頻率來確定，普通的諧振腔其長度一般為波長的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，在通帶和阻帶均會產(chǎn)生波紋，在有限頻率有一對傳輸零點。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)的零點和極點。

　　(圖1) 四階內(nèi)摺式類橢圓函數(shù)濾波器

　　已知所設(shè)計的濾波器的技術(shù)指標為：

　　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)，所以無法準確算出諧振電路的長度，需借助CAD軟件進行仿真確定。根據(jù)上面設(shè)計的參數(shù)作為原始參數(shù)，使用ADS的Momentum仿真器對濾波器進行仿真設(shè)計。(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)波動為0.3dB，回波損耗小于-15dB。

　　本次設(shè)計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。在兩級放大器中間插入一個濾波器，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低噪聲場效應(yīng)晶體管。模組的電路組成是包括兩級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，對整個選頻放大模組進行仿真。選頻放大模組的仿真電路圖如(圖3)。利用ADS軟件進行計算機輔助仿真分析,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指標中取折衷以達到最終要求,從而確定匹配網(wǎng)絡(luò)和直流偏置的參數(shù)。仿真時，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頻帶K>1，都是穩(wěn)定的。

　　本文從采用微帶帶通濾波器進行選頻以及采用低噪聲放大器的器件出發(fā),進行了1.95GHz頻段的類橢圓函數(shù)微帶帶通濾波器設(shè)計和選頻放大模組的設(shè)計。采用了ADS軟件對該濾波器和模組進行了優(yōu)化仿真設(shè)計,既減輕了設(shè)計者的工作量,又提高了設(shè)計精度和設(shè)計效率。實物測試結(jié)果與仿真設(shè)計結(jié)果、設(shè)計指標吻合較好。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。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

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