微型化滤波放大模组的设计

　　摘要：选频放大模组包括两级平衡放大电路和微带带通滤波器，根据选频放大模组的选频特性及模组集成化要求，采用微带带通滤波器以及低噪声IC器件，应用ADS的Momentum仿真器对整个选频放大模组进行仿真设计。使得该模组具有低噪声、高选择性、高增益、集成度高、小型化等优点。

　　关键词：滤波器 ,平衡放大电路,诣振腔,内摺式结构

　　引言

　　随着无线通信技术的发展趋势, 对通信系统的性能要求越来越高，要具有宽频带、低噪声、大动态、高稳定[1]。因此微波滤波和放大器件在通信系统中起着越来越重要的作用。性能良好的滤波和放大器件能充分利用频率资源、扩充系统容量、很好地抑制带外信号的干扰、改善通信服务[2]。目前无线通信技术的飞速发展，许多微波单片集成电路(MMIC)具有良好的性能价格比，也为通信系统提供微电子化和模块化的基础。

　　经天线进入雷达接收机的微弱信号首先要经放大器和滤波器进行放大和滤波。对于不同波段的接收机，滤波器可能放置在放大器之前或之后，滤波器放在放大器之前，对雷达抗干扰和抗饱和能力很有好处，但是滤波器的损耗增加了接收机的噪声;滤波器放置在放大器之后，对接收系统的灵敏度和噪声系数有好处，但抗干扰和抗饱和能力将变差。由于接收机的灵敏度受噪声电平的限制，因此要提高灵敏度就必须减少噪声电平，要减少噪声电平，首先是抑制外部的干扰，其次是尽量减小接收机内部的噪声，因此接收机一般都要采用低噪声放大器和匹配滤波器。接收机选择所需要的信号而滤除邻频干扰的能力，与内部频率的选择以及接收机高、中频部分的频率特性有关。在保证可以接收到所需信号的条件下，带宽越窄或谐振曲线的矩形系数越好，则滤波性能越高，所受到的邻频干扰也就越小。滤波器的选用对本设计是关键。

　　滤波器的频带宽度和频率特性影响着滤波作用的好坏，直接关系接收机的灵敏度与波形失真等重要指标。对于不同的输入信号和噪声干扰，为使输出端的信噪比最大或波形失真最小，需要滤波器有一个最佳的频带宽度和频率特性形状，以实现最佳滤波。随着低噪声放大器的普遍使用，减小接收机内部噪声的空间已经很小，在接收机中采用匹配滤波器是一种提高信噪比的常用方法。在滤波器设计中面临的首要问题就是根据技术指标要求确定电路的转移函数 [3]。以插入衰减理论为基础的滤波器设计方法包括三个步骤：(1)规定一个理想的衰减特性;(2)用一个可实现的有理函数来逼近这个特性;(3)应用网络综合理论，把这个函数综合成一个实际网络，按照这种方法设计的滤波器，其实际特性与规定的可以十分接近。

　　微带滤波器因体积小、结构简单、加工方便、成本低等优点在微波平面电路中有较为广泛的应用[4]。微带滤波器常用的有平行耦合线滤波器和交指滤波器，虽然平行耦合微带带通滤波器具有重量轻，易于实现等优点[5]，但谐振器在一个方向依次摆开，占用的电路平面面积大。而微带交指滤波器有接地的要求，在实际加工中不可避免地引入损耗。类椭圆函数滤波器的电性能好、体积小，在带外实现了两对衰减极点，能明显地改善滤波器的带外特性，在提高了滤波器选择性的同时减小了插入损耗[6]。因此，选择类椭圆函数微带滤波器作为选频放大模组中的滤波器。根据阻带衰减指标,选择滤波器的拓扑结构,先确定阶数和传输零点数量及位置的初值,再代入传输函数多项式,用软件编程试验传输零点的位置,获得归一化的频响图,看是否满足阻带要求。这是一个反复的过程[7]。为了缩小整体电路的面积，滤波器采用四个谐振腔阶数为四阶，且谐振腔采用内摺式结构,其结构布局如(图1)。单个谐振腔回路的长度由中心频率来确定，普通的谐振腔其长度一般为波长的1/2。其耦合系数K为： 类椭圆函数响应介于切比雪夫响应和椭圆函数响应之间，在通带和阻带均会产生波纹，在有限频率有一对传输零点。与传统的切比雪夫响应相比，类椭圆函数响应有更陡峭的边带特性，与椭圆函数相比更便于实现。

　　类椭圆函数的低通响应公式为：

　　其中定义特征函数F(ω)：

　　式中zk和pk分别是特征函数的零点和极点。

　　(图1) 四阶内摺式类椭圆函数滤波器

　　已知所设计的滤波器的技术指标为：

　　中心频率:ƒ0=1.95GHz 3dB;带宽为BW=60MHz;带外抑制度:≥60 dB;通带衰减:3.0 ≤ dB;介质片的相对介电常数εr=9.6;厚度h = 0.5 m m。

　　图2滤波器仿真结果

　　(图3) 选频放大模组电路图

　　类椭圆函数滤波器没有成熟的逼近函数和综合理论，它的传输函数或耦合矩阵多采用优化的方法来得到[8]。由于内摺式结构末端耦合线的电容效应，所以无法准确算出谐振电路的长度，需借助CAD软件进行仿真确定。根据上面设计的参数作为原始参数，使用ADS的Momentum仿真器对滤波器进行仿真设计。(图2)是仿真四阶类椭圆函数滤波器的结果。从结果中可以看到，滤波器的中心频率在1.95GHz附近，稍微有些偏差，不过这偏差在允许范围内。在1.95GHz的插损为-2.78dB，在1920MHz~1980MHz的插损为-2.7dB~-3.1dB，带内波动为0.3dB，回波损耗小于-15dB。

　　本次设计的选频滤波放大模组主要是考虑模组要具有低噪声、高选择性、高增益。在两级放大器中间插入一个滤波器，放大器采用的是平衡式低噪声放大器，我们选用了Avego 公司的ATF-55143低噪声场效应晶体管。模组的电路组成是包括两级平衡放大电路和四阶类椭圆函数微带带通滤波器。利用Momentum的版图元件和原理图元件协同仿真(Co-Simulation)功能，对整个选频放大模组进行仿真。选频放大模组的仿真电路图如(图3)。利用ADS软件进行计算机辅助仿真分析,保证选频放大模组的稳定性,在增益、噪声系数、输入输出驻波比等几项指标中取折衷以达到最终要求,从而确定匹配网络和直流偏置的参数。仿真时，电路中的参数均采用平衡式低噪声放大器和滤波器的最终仿真参数，以便于对比。仿真结果如(图4)所示。从仿真结果得到，选放带内增益为36dB~36.5dB，带内波动为0.5dB，带内回波损耗均小于-15dB，带内噪声系数为0.6dB~0.62dB，且选频放大模组在整个频带K>1，都是稳定的。

　　本文从采用微带带通滤波器进行选频以及采用低噪声放大器的器件出发,进行了1.95GHz频段的类椭圆函数微带带通滤波器设计和选频放大模组的设计。采用了ADS软件对该滤波器和模组进行了优化仿真设计,既减轻了设计者的工作量,又提高了设计精度和设计效率。实物测试结果与仿真设计结果、设计指标吻合较好。该选频放大模组具有低噪声、高选择性、高增益、集成度高、体积小等优点。适合作为无线通信前端关键部件。 (图4)选频放大模组仿真的增益和驻波比

　　参考文献：

　　[1]弋稳.雷达接收机技术[M ]. 北京:电子工业出版社, 2005.16

　　[2] 吴东升 包建晔发 夹式耦合线微带滤波器的设计[J] 科技资讯 2007(5) 29-31

　　[3] 邱关源 现代电路理论[M] (北京)：高等教育出版社，2005;50

　　[4] 李胜先 吴须大 微带类椭圆函数滤波器[J] 空间电子技术 2001(3) 48-52

　　[5] 　夏祖学,等:平行耦合微带线带通滤波器设计与测试[J] 西南科技大学学报 2010 25(2) 72-75

　　[6]禹旭敏 吴须大 L波段类椭圆函数微带滤波器 [J]空间电子技术 2002(1)45-47

　　[7] 邹骥 孙京秋 谢庭芳 准椭圆函数带通滤波器的一般设计方法[J]电视技术 200747(3)110-112

　　[8] 李胜先 吴须大 基于遗传算法的微带类椭圆函数滤波器的优化设计[J] 空间电子技术 2002(3) 60-65

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文章名称： 微型化滤波放大模组的设计

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