L波段接收前端的设计与实现

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。

关键词：低噪声放大器;滤波器;ADS;Sonnet

中图分类号：TN626 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2014）12-00-02

0 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 滤波器的设计

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[1]。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。

图1 抽头发卡滤波器

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。

（1）

（2）

（3）

式中：n是滤波器的阶数，i是谐振器序号，FBW是相对于中心频率的归一化带宽，gi是滤波器低通原型中第i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：g0，6=1，g1，5=1.146 8，g2，4=1.3712，g3=1.975 0。根据式（1）可以计算得到耦合系数， k1，2=k4，5=0.119 9，k2，3=k3，4=0.091 4。

每个谐振器的耦合间距（S）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fp1和fp2，则耦合系数与两个谐振频率的关系为：

（4）

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。

图2 k与S关系

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。

（5）

式中：L=λg，Z0是抽头线的特性阻抗，Zr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。

图3 滤波器实物

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[2]。

（6）

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：

（7）

当满足ΓS=Γopt达到最小噪声匹配[3]。

如图4，二端口网络的反射系数：

（8）

（9）

当满足ΓS=ΓIN*与ΓL=Γ*OUT达到最大功率传输。

当满足ΓS，opt=ΓIN*时达到最小噪声和最大功率传。

图4 放大电路等效信号流图

图5 低噪声放大器实物

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-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-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和滤波器的设计效率。

参考文献

[1] Jiasheng Hong， M.J.Lancaster. Microstrip filters for RF/microwave applications[M]. John Wiley & Sons， 2004.

[2]陈邦媛.射频通信电路[M]. 北京： 科学出版社， 2006.

[3] Reinhold Ludwig， Gene Bogdanov. 射频电路设计―理论与应用[M]. 王子宇译. 北京： 电子工业出版社， 2013.

[4] Richard J.Cameron， Chandra M.Kudsia， Raafat R.Mansour.通信系统微波滤波器―基础、设计与应用[M]. 王松林译.北京： 电子工业出版社， 2012.