寬帶小信號(hào)放大器的設(shè)計(jì)

　　1 引言

　　微波放大器是現(xiàn)代微波、毫米波通信技術(shù)和電子戰(zhàn)等應(yīng)用中一個(gè)極其重要的部分。20世紀(jì)70年代后期，開始出現(xiàn)了單片微波集成電路(MMIC)。放大器單片同時(shí)發(fā)展起來(lái)，方便了用戶的使用。另外，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高度發(fā)展，與微波、毫米波有源電路相關(guān)的仿真軟件也不斷的涌現(xiàn)。本文研制的寬帶小信號(hào)放大器，在200MHz~1GHz的頻帶范圍內(nèi)，增益為55dB~60dB，駐波系數(shù)小于2dB。

　　2 寬帶小信號(hào)放大器的設(shè)計(jì)

　　放大器可以有兩種設(shè)計(jì)方式：一是利用管子進(jìn)行設(shè)計(jì)，并用ADS優(yōu)化仿真;一是直接購(gòu)買單片，進(jìn)行級(jí)聯(lián)，同樣也要利用ADS進(jìn)行仿真。我們選擇了Agilent公司生產(chǎn)的FET管子ATF54143和芯片ABA-52563進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真，并通過(guò)對(duì)比兩者的仿真結(jié)果來(lái)決定加工哪種電路。ATF54143是一款高增益、低噪聲、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍的新型PHEMT。ABA-52563芯片工作頻帶范圍從DC到3.5GHz，具有低成本、寬頻帶、高增益、好的輸入/輸出駐波比和增益平坦度好等優(yōu)點(diǎn)。

　　2.1 利用管子ATF54143進(jìn)行設(shè)計(jì)

　　采用了三級(jí)級(jí)聯(lián)的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用ADS進(jìn)行仿真、優(yōu)化，直接三級(jí)級(jí)聯(lián)，然后進(jìn)行總體優(yōu)化，直接達(dá)到目標(biāo)。由于本次設(shè)計(jì)的頻帶要求既涉及了較低頻段，又涉及了較高頻段，所以電路的設(shè)計(jì)思想是LC匹配和微帶線匹配同時(shí)使用，這樣就能兼顧低頻與高頻的匹配。首先，采用L型匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行匹配，并在各電容或電感之間利用微帶進(jìn)行連接,同時(shí)也把微帶的寬度和長(zhǎng)度都考慮到匹配的設(shè)計(jì)當(dāng)中。然后再利用ADS優(yōu)化工具進(jìn)行優(yōu)化。最終確定的仿真結(jié)構(gòu)如圖1所示：

　　圖1 ADS仿真結(jié)構(gòu)圖

　　其仿真結(jié)果如圖2、圖3、圖4：

　　圖2 噪聲系數(shù)的仿真結(jié)果

　　圖3 增益的仿真結(jié)果

　　圖4 駐波系數(shù)的仿真結(jié)果

　　2.2 利用芯片ABA-52563進(jìn)行設(shè)計(jì)

　　利用三級(jí)ABA-5256進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)芯片原理圖，在ADS軟件里使用它的S2P文件將其三級(jí)級(jí)聯(lián)起來(lái)進(jìn)行仿真，并在各芯片兩端加上隔直電容?；捎?.5mm厚的FR-4材料，介電常數(shù)為4.3，級(jí)聯(lián)仿真電路圖如圖5所示。

　　圖5 ABA-52563芯片的仿真原理圖

　　其仿真結(jié)果如圖6、圖7：

　　圖6 ABA-52563芯片增益仿真曲線

　　圖7 ABA-52563芯片的駐波仿真曲線

　　3 電路的加工與調(diào)試

　　將最后得到的仿真結(jié)果進(jìn)行比較，我們可以看到，利用芯片ABA-52563設(shè)計(jì)的電路的增益和駐波都要好于利用ATF54143設(shè)計(jì)的電路。所以，考慮到適用性和經(jīng)濟(jì)性，本此設(shè)計(jì)只加工了利用芯片ABA-52563設(shè)計(jì)的放大器。

　　最終加工的實(shí)物圖如圖8

　　圖8 寬帶小信號(hào)放大器的實(shí)物圖

　　經(jīng)過(guò)初步測(cè)試，我們發(fā)現(xiàn)，它的增益平坦度太差，所以還需要進(jìn)一步調(diào)試。具體的調(diào)試步驟如下：

　　首先，在第一級(jí)和第二級(jí)放大電路之間的微帶線接一個(gè)電容。電容的另一端接地。再利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)試。如此反復(fù)操作，同時(shí)電容的容值也不斷改變。結(jié)果效果仍不理想，還需要再繼續(xù)調(diào)試.

　　接著在第二級(jí)和第三級(jí)之間的微帶線上接一個(gè)電容，電容的另一端仍然接地。結(jié)合著第一步一起調(diào)試，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)并測(cè)試之后發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)電容均取1.5pF后結(jié)果比剛開始要好，但還不夠理想。

　　接下來(lái)，在饋電點(diǎn)與各芯片之間的連接線上分別接一個(gè)100pF的接地電容，再進(jìn)行測(cè)試，其s21曲線的測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

　　圖9 低噪聲放大器的s21曲線

　　其駐波特性曲線如圖10所示。

　　圖10 低噪聲放大器的S11曲線

　　實(shí)測(cè)的增益是從55dB到60dB，仿真結(jié)果是從64.9dB到65.25dB，所以，實(shí)測(cè)結(jié)果沒(méi)有仿真結(jié)果好，實(shí)測(cè)的駐波也遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有仿真的結(jié)果好。

　　4 結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)并制作了一個(gè)寬帶小信號(hào)放大器，在此過(guò)程中，作者利用了ADS軟件進(jìn)行仿真、優(yōu)化，并使用AutoCAD軟件進(jìn)行版圖的繪制，最后加工制板并測(cè)試。