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k 波段卫星接收机前端电路设计 陈荔涵钱澄 东南大学 论文摘要 卫星接收系统射频前端电路是卫星通信系统中的一个重要组成部分。本文根据系统要 求，研究了k 波段接收机射频前端中关键电路的设计，并制作了实物。主要包括波导微 带过渡，低噪声放大器( l n a ) ，镜像抑制滤波器，混频器等。 本文利用三维电场仿真软件c s pm i c r o w a v es t u d i o 分析设计了两种不同结构的波导一 微带过渡器。实验结果表明：k 波段波导一同轴微带过渡器插入损耗小于o 4 d b ；微带探 针式波导微带过渡可以在宽频带实现低损耗，插入损耗小于0 2 5 d b 。本文还利用该软件 设计了集成鳍线带通滤波器，并将其与微带探针式波导微带过渡相结合，设计了具有平 面特性的高q 值带通滤波器。与微带滤波器相比这种滤波器具有损耗低，选择性好且容易 与平面电路集成，制作简单，可重复性好等特点。实验结果显示，带内插入损耗小于2 d b ， 带外抑制大于7 0 d b 。 利用h e m t 场效应管设计的单级低噪声放大器的噪声系数小于1 5 d b ，增益大于l l d b 。 噪声性能明显优于相同频段的单片微波集成电路。利用微带平行耦合结构设计的镜像抑制 滤波器在镜像频率处的抑制大于6 5 d b ，插入损耗小于5 d b 。 预计将这些电路应用于接收机射频前端中，可以使低噪声模块( u b ) 的总噪声系数 小于1 8 d b 。 关键词：k 波段低噪声放大器波导微带转换 鳍线滤波器 i d e s i g no ff r o n t e n dc i r c u i to fk - b a n d s a t e l l i t er e c e i v e r c h e nl i h a n q i a nc h e n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t t h ef r o m e n dc i r c u i ti si m p o r t a n ti ns a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s i nt h i sp a p e r , s o m eo f t h ek e yc i r c u i t sw e r ed e s i g n e da n db u i l t ，i n c l u d i n gw a v e g u i d e - t o - m i c r o s t r i pt r a n s i t i o n ，l o wn o i s e a m p l i f i e r ( l n a ) ，i m a g e - r e j e c ff i l t e r ，m i x e re t c i nt h i sp a p e r , t w ok i n d so fw a v e g u i d e - t o - m i c r o s t r i pt r a n s i t i o n sw e r ea n a l y z e da n dd e s i g n e d b yc o m m e r c i a le mf i e l ds o l v e rf c s t 哪m i c r o w a v es t u d i o ) n 圮e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t t h ei n s e r tl o s so f k - b a n dp r o b ew a v e g u i d e - t o m i c r o s t r i pt r a n s i t i o ni sl e s st h a n0 4 d b a d d i t i o n a l l y , t h es h o r tc o n d u c t i v es e p t ai nf i n l i n ew e r ea n a l y z e db yt h es a m ee mf i e l ds o l v e ra n daf i n l i n ef i l t e r w a sd e s i g n e d f u r t h e r m o r e t h ef m l i n ef i l t e ri sc o m b i n e dw i t haw i d e - b a n dw g t o - m i c r o s t r i p p r o b et r a n s i t i o n t oc o n f i g u r eac o m p a c th i g h - p e r f o r r a a n c eq u a s i - p l a n a rf i l t e rw h i c hi sl o w i n s e r t i o nl o s s h i g hs l o p es e l e c t i v i t ya n dc a nb ee a s i l yi n t e g r a t e dw i t hp l a n a rs o l i dc i r c u i t n 蟛 e x p e r i m e n t a lr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ei n s e r tl o s si sl e s st h a n2 d b i np a s s b a n da n dm o r et h a n7 0 d b i ns t o p b a n d b a s i n go nh e m tf e t , am o n o s t a g el n a w a sd e s i g n e d t h et c s t i n gd a t as h o w st h a tt h e n o i s ef i g u r e ( n f ) o f t h eu q ai sl c s st h a n1 5 d bw i t hag a i nm o r et h a n1 l d b t h ep a r a l l e l - c o u p l e d m i c m s t r i pi m a g e - r e j e c tf i l t e ra c h i e v e sa t t e n u a t i o nm o r et h a n6 5 d bi nt h ei n , a g ef r e q u e n c y t os n i f fu p i tc a nb ec o n c l u d e dt h a ti f t h o s ec i r c u i t sw e r ei n t e g r a t e di n t ot h el o wn o i s eb l o c k , t h en o i s e f i g u r e o f t h e l o w n o i s e b l o c kc a l l b e l e 鹦t h a n l g d b k e yw o r d s ：k - b a n d l o wn o i s ea m p l i f i e r w a v e g n i d e - t o m i c r o s t r i pt r a n s i t i o n f i n l i n ef i l t e r m 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 研究生签名：i 荭荔b 盗 日期：z 业多 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 研究生签名：翟衄导师签名： 日期：2 坐弓 第一章绪论 第1 章绪论 卫星接收系统前端电路是卫星通信系统中的一个重要组成部分，它的性能好坏直接影响到整个 接收系统性能的优劣，决定了系统后面电路指标的上限，研制性能良好的接收系统前端电路是提高 整个系统的必然要求。 1 1 卫星通信的发展现状 卫星通信是当前迅猛发展的重要通信手段之一其最大的特点是覆盖范围大。线路配置灵活， 不受地理条件限制和便于机动。1 9 7 2 年在我国首次应用，并迅速发展。目前我国的卫星通信和电视 j 播网已初具规模，在国民经济、国防和教育等领域发挥着越来越重要的作用。在频段利用上，我 国卫星通信已经从单一的c 频段发展到包括u h f 、l 、s 、x 、k u 等多个频段的通信系统。我国正 在加紧研制k a 频段的卫星通信系统，以缩小与发达国家之问的差距。k 波段卫星接收机将是该系统 的一个组成部分。开展k 波段接收机的研究，能够为我国将来自主生产小型化k 波段接收机提供有 益的参考。 1 2 卫星接收系统集成射频前端电路的研制计划与方案 一个典型的超外差结构的接收系统通常包括：天线，射频前端，中频处理，解调等。如图所示。 其中射频前端主要包含，低噪声放大器，镜像抑制滤波器，混频器以及本振。 接收枫射频黄端 图1 1 超外差结构接收机框图 o 射频前端的设计受诸多因素的限制，不仅包括电路指示，还要考虑系统安装，接收机体积、重 量等方面。在设计中主要考虑了如下几个因索： 电路指标要示； 夺 射频前端与天线馈源、中频模块的连接关系； 夺 电路实现的复杂程度； 令电路的制造成本 近年来单片微波集成电路( m m i c ) 快速发展，得到广泛的应用，并对各种射频前端电路的设 计产生了重要的影响。合理选用单片微波集成电路，不仅能减小电路体积，还能增加系统的可靠性。 表1 1 简单罗列了单片微波集成电路与混合电路相比各自的优缺点1 1 1 从表中可以看出单片电路与混 合电路各有优缺点，不同功能的电路模块选用不同的形式的电路，可以使系统的总体性能最优化。 而且存研制的不同阶段，同一功能电路模块采用不同的形式，可以缩短研发的周期。 第1 页 东南大学硕士学论文 表1 1 单片微波集成电路与混合电路的比较 单片微波集成电路( m m l c )混合电路( h y b r i dm i c ) 量产价格低，尤其是复杂电路单个电路便宜，易于自动组装 可重复性好可重复性差 体积小重量轻 利用多层介质板可使结构紧凑 可靠性高 容易虚焊，影响可靠性 容易实现宽带 对l n a 等有箕自身的优势 电路面积必须尽量小 微带介质板价格低廉 流片周期长 加工周期短，可以进行迭低设计 研发费用高 无需大量资金 综合考虑各种因素的影响，拟定的设计方案如图1 2 所示。 镶馨抑制滤波嚣 低通滤波器 b p f 分铲涟溜频器掰 辛= 振 图1 - 2 设计方案框图 。魄j 丰耍包括：波导微带过渡器、低噪声放大器、微带镜像抑制滤波器、分谐波混频器、本振和 巾频低通滤波器。其中波导微带转换器是为了方便射频电路与天线的连接。低噪声放大器是接收 系统关键屯路。通常低噪声放大器的噪声系数与三阶互调决定了接收机的噪声系数与动态范围。分 谐波混频器的使用降低了本振频率的要求，大大减轻本振电路的复杂度翻。分谐波混频器采用单片 电路以增加电路的可重复性。接在混频器之后的低通滤波器滤除混频器输出的其它分量，避免干 扰后面的中频电路。 根据微波级联网络噪声系数与增益的计算，对该方案进行了初步估算，结果如表1 - 2 所示。总 噪声系数小于2 d b ，能够满足实际系统的要求。 表1 2 射频前端的噪声系数与增益估算 w ，mu q ab p f m i x e rl p f a m p l i f i e r 增荔( d b ) 0 43 249 0 54 2 噪声系数( d b ) 0 41 3490 5 1 5 总增益与总的噪声系数 g a i n = 6 0d b ；n f = i ，7 8d b 第2 页 第二章波导微带过渡器 第2 章波导一微带过渡器 矩形金属波导是毫米波频段的重要传输线形式。由于具有高功率容量和高q 值特性，矩形金属 波导在天线、测量系统，滤波器等低损耗传输部件中广泛应用。而微带是微波集成电路的主要传输 线形式。随着平面集成电路越来越多应用于毫米波系统中，在毫米波电路和系统中经常需要进行两 种 输线形式的转换。 2 1 波导微带过渡器介绍 f 1 前存在着多种形式的波导微带转换器，主要有包括以下几种： 波导一同轴线徼带过渡器； 夺 微带探针过渡器： 基于单脊波导阻抗变换器的波导，微带过渡器等 各种过渡器有其不同的特点，应用的频率范围也不同。根据系统的要求前两种比较适合。这 里先就这两种波导微帝过渡器作简单的介绍。 2 1 1 波导一同轴线微带过渡器 波导一同轴线微带过渡器常用于卫星通信接收单元( 又称高频头) 之中唧。其结构如图2 - 1 ( a ) 所示。波导的输入口为一个固定连接用的法兰盘( 与天线的馈源相连) ，波导的另一端是封闭的短路 面。探针一头从矩形波导的宽边插入，并伸入到波导之中；另一端与微带线相连。连接两端的是一 小段同轴线。如图2 1 ( b ) 所示。 h h 0 q 自。 图2 - 1 波导一同轴线微带过渡器结构示意图 这种结构的密封性好，机械复杂度低，易于加工，成本低廉，被广泛应用于军事、民用等诸多 领域。它的分析可以用图2 - 2 的等效电路模型来表示 4 1 。 图2 - 2 波导一同轴线微带过渡器等效电路图 第3 页 东南大学硕士学论文 通过调整伸进波导的探针长度d 和短路面的距离，可以改变z p ，使z i n 与微带线完全匹配。 由r 探针长度与短路面的距离受机械d l ：i 工的影响比较大，加工精度很难保证。因此设计时，要保证 过渡器的带宽足够大。另外可以在波导内加调谐螺钉来克服加工误差。 21 2 微带探针过渡器 微带探针过渡是直接利用微带线作为探针伸入波导。这种结构有两种构造【6 胴：一种是介质板平 行与波导传输方向；另一种是介质板垂直与波导传输方向。两构造的示意图分别如图2 - 3 ，图2 - 4 所 不o b a c k s h c i n i 舯 r l l 彻 图2 - 3 微带探针过渡构造f 这种构造容易与其它e 面结构结合在起，构成准平面结构。在第四章中将介绍这种过渡器与 e 面集成鳍线滤波器相结合构成的准平面滤波器。 t 抽c k s h o f t l f i ；d 。t i ； i i i iii ；l 糕爿 舟r 图2 - 4 微带探针过渡构造 这种构造密封性好，而且波导的传输方向与固态电路所在的平面垂直，因此得到比较广泛的应 用。这两种形式的过渡都具有低损耗、宽频带、结构简单、体积小等优点得到了较多的研究和应用。 这种过渡器的设计在后面将详细介绍。 第4 页 第二章波导馓带过渡器 2 2 两种不同结构波导微带转换器的设计与测试 设计主要是基于电磁场仿真软件c s t 。m i c r o w a v es t u d i o 。该软件是德国c s t 公司出品的高频三 维电磁场仿真软件。该软件主要是基于有限积分算法( f i n i t ei n t e g r a t i o n ) 。微波工作室除了主要的时 城求解器模块外，还为某些特殊应用提供本征模及频域求解器模块。在设计过程中使用时域求解器， 这个模块非常适合于宽频段内的三维电磁场仿真。另外微波工作室使用简洁，而且能直观地显示多 种分析变量，如电场、磁场、表面电流等。该软件的使用减轻了设计的复杂度。 2 21 波导一同轴线微带过渡器 这种过渡器的组成如图2 - 5 所示，包括两部分：波导与同轴线的过渡，同轴线与微带线的过渡。 图2 - 5 波导一同轴线微带过渡器组成 选用同轴线的特征阻抗为5 0 0 ，过渡到相同特征阻抗的微带容易实现。而波导的等效阻抗通常 是存3 0 0 - 4 0 0 0 范围内，因此波导与同轴线之问的过渡需要精心设计 波导与i 司轴线之间过渡的示意图如图2 - 6 所示。同探针的等效输入阻抗受多个参数影响，包括 短路面的距离，探针长度，探针的直径，同轴线介质的外径等。对这种结构的分析方法很多，其中 最常用的是格林函数法1 8 1 。 图2 - 6 波导到同轴线过渡示意图 利用格林函数，忽略探针的直径，可以得到如下近似公式： 第5 页 东南大学硕士学论文 z 。，= r 七j x 。 r = 彘f 9 2 ( 争嘲。 ， x ，。- 妇。r l 万培2 争s i n z 舻 撕= 厩枷撇阻抗 此经验公式可以得到设计波导到同轴过渡的初始值。即令# - 5 0 。蜀o = 0 得到d 与l 的初始值。 由丁，( 2 1 ) 忽略了探针的直径，而且在实际加工中还会出现倒角，如图2 7 所示，因此还需要对初 始值做进一步的优化。 带倒角的拽导 图2 - 7 波导同轴线一微带过渡器仿真模型 对于同轴线与微带线之间的过渡，虽然两者的特征阻抗相等但是电磁波在这两种不同的传输 介质中的场分布不同，因此也会影响到整个波导到微带过渡的性能。在图2 - 2 的等效电路中将同轴 线与微带线之间的不连续性等效为一电感1 4 l 。在仿真过程中需要综合考虑这些因素的影响。 在仿真过程中发现，适当调整d 与l 的尺寸，可以在比较宽的频率范围内，使波导口的输入回 波损耗人于1 5 d b 。虽然初始值的确定是从单个频点估算出来的，仿真结果显示这种结构有比较大的 带宽，人约为2 5 。图2 - 8 ，图2 - 9 分别是k a 波段与k 波段波导一同轴微带过渡的仿真结果。 三一 图2 - 8k a 波段波导一同轴一微带过渡仿真结果 第6 页 第二章波导，微带过渡器 图2 - 9k 波段波导- 同轴微带过渡仿真结果 由于实际加工中存在误差，因此实际测量达不到这么大带宽仿真中还假设波导壁为理想的金 属，实际加工的波导不仅有损耗，而且表面也不光滑，尤其是波导短路面的位置与表面光洁度很难 控制。 图2 - 1 0 波导探针旅带过渡( k 、k a 波段) 为了便于测试，将两个相同的结构“背靠背”组成一个测试结构，如图2 1 0 所示。波导输入口 为标准的法兰盘。以方便与测试系统的连接。测试结果分所如图2 1 1 ，2 - 1 2 所示测试结果虽然与 仿真结果有偏差。但是其性能足够满足系统的要求。k 波段的波导一同轴微带过渡器的相对带宽 人1 - i o ，在通带插入损耗小于0 4 r i b ，回波损耗大于1 0 d b 。k a 波段波导一同轴微带过渡器在通 带内插入损耗小于o 6 d b ，回波损耗大于1 0 d b ，带宽大于5 g h z 测试结果中扣除了连接两个辽避i 器微带线的损耗。并归算到单个过渡器。 第7 页 东南大学硕节论文 已 搿 哥 ： 、l ； e 嚣f f r e q ，g h z 图2 1 1k 波段波导一同轴一微带过渡器测试结果 一i；l _ 1 、i r 翻f 黼g h z 图2 - 1 2k a 波段波导一周转一徽带过渡器澳i 试结果 2 2 2 微带探针过渡 微带探针过渡是直接利用微带线作为探针伸入波导。这种结构比较简单，比波导一同轴线一微 带少了个环节。但牺牲了密封性。微带探针可以与微带线同时加工，利用光刻来完成，因此容易 保证加工精度。 剥伸入波导中微带探针的等效阻抗的分析，没有有效的经验公式可以利用。设计主要是依赖全 波分析软件。虽然进行全波分析比较耗时间，但是微带探针过渡的结构比较简单，并且现代的全波 分析软件的效率已经有了很大的提高，更重要的是计算机的运行速度也突飞猛进因此分析所需的 时问人幅降低。由于c s t 。m i c r o w a v e s t u d i o 时域仿真模块比较适合于宽频带三维电磁场仿真。利厢 该软件在普通p c 机上进行一次的分析只需2 - 3 分钟。 微带探针过渡i 微带探针过渡的结构如图2 - 1 3 所示。微带线从波导的e 面插入。为了加强机械强度，介质板 直i 单到另一个波导壁上。短路面与微带线中心的距离d ，微带探针的形状和伸入波导的长度l 郝 将影响等效阻抗z i n 。 第8 页 第二章波导微带过渡器 岛邛 z 打 图2 - 1 3 微带探针过渡l 结构示意图 t 2 r a m 为了让微带线便于加工，没有对探针的形状做优化。这样还减少了分析变量。减少了设计时间。 存仿真的过程中发现，d 和l 分别为某个值的时候，等效输入阻抗z i n 随频率变化比较小婀，即在 s m i t h 圆图上缩成一个较小的区域。如图2 - 1 4 所示。 d 0 2 5l = 2 5a d = 2 5l = i 9 0 d = - 3 0l = 2 5 一 f r e q ( 2 6 0 0 g h zt o4 0 0 0 g h z ) 图2 - 1 4 等效阻抗z i n 随d 与l 变化 从图2 - 1 5 中可以看出来，当d = 2 新期，l = i 9 m m 时等效阻抗z i n 随频率变化不大，且呈容性 这时d 增加0 1 r a m 或l 增加0 1 m m 对等效阻抗z i n 的影响比较小。虽然这时z i n 不是5 0 0 ，但这 时的串联一小段呈感性的细线和1 1 4 波长阻抗变换，将其匹配到5 0 q 匹配后微带线的形状如图2 - 1 5 所示。 图2 1 5 微带线的最终形状 第9 页 东南大学硕士学论文 存设计时同样要考虑加工时的倒角。虽然有些倒角通过些特殊处理可以去掉，但是这样增加 机械加工的难度，增加了成本。在设计时对倒角加以考虑，不仅可以降低加工难度，还有利于保证 加工精度。为了测试方便，同样做成背靠背结构。实物如图2 - 1 6 所示。 图2 - 1 6 微带探针结构l 的实物图 测量与仿真结果如图2 - 1 7 所示。测试结果与仿真略有偏差，但基本上反映了测试结果。偏差较 人的是在3 8 g h z 以上的部分。经分析，可能是由于仿真时忽略微带线的趋肤效应，并且假设微带线 上传输的只有一个模式。随着频率的增加，微带线的损耗也增加，而且微带线上可能还存在寄生模 。 一丰 “：，。_ 、i 一 一卜一 2 83 03 23 43 63 84 0 f r e a g h z 图2 1 7 仿真与测试结果 第1 0 页 o 第二章波导微带过渡器 微 i 探针过渡i | 另外一种微带探针过渡的结构如图2 - 1 8 所示。 图2 - 1 8 微带探针过渡i l 结构示意图 微带介质板以垂直于波导传输方向从导波的宽边插入。如上图( a ) 所示。介质板上方是一小段 一端封闭的波导，并且在宽边上开了一个小窗口，构成波导的短路面设计的重点是确定短路面的 位置和探针进入波导的长度设计过程与微带过渡i 基本相同利用三维电磁场仿真软件进行分析， 谪整短路面的位置和微带探针进入波导的长度观察等效阻抗在特定额段内的变化。为了达到宽带的 目的，首先调整短路面的位置和微带探针进入波导的长，使微带探针的等效阻抗在宽频带上变化较 小，即在s m i t h 圆图上缩成一个小区域。然后微带线上增加匹配网络，达到宽带过渡。微带线的最 终形状如图2 1 9 所示。 图2 1 9 微带探针过渡最终形状 微带探针过渡的仿真结果如图2 - 2 0 所示。从仿真结果可以看出，在2 8 - - 4 2 g h z 的频率范围之内， $ 1 1 都奋2 d d b 以下，带宽基本上可以覆盖整个波导频段。由于加工未能及时完成，没有相应的铡试 结果。 第1 1 页 东南大学硕士学论文 2 3 小结 9 n 氏厂 。f 一 八 、 图2 - 2 0 微带探针过渡仿真结果 本章介绍了两种常用波导口微带过渡器，并利用三维电磁场仿真软件c s t 。m i c r , 洲v a v e s t u d i o 进 行分析与设计。k 和k a 波段波导口同轴口微带过渡器的实验结果表明过渡器的插入损耗符合系统的 要求。k 波段过渡器的插入损耗小于0 4 d b ，k a 波段过渡器的插入损耗小于0 6 d b 。此外还设计了 两种不同的微带探针式波导口微带过渡，并制作了部分实物。实验结果表明，微带探针式波导口徽 带过渡可以在宽频带内实现低插入损耗，高回波损耗。 第1 2 页 第三章低噪声放大器设计 第3 章低噪声放大器设计 信号经过信道传输，到达天线接收端的时候，已经受到很大衰减，同时附加了很多的噪声。在 接收机前端中广泛使用低噪声放大器，通常在接收系统中输入信号经过的第一个器件就是低噪声放 人器它负责从背景噪声中拾取信号并放大到足够的幅度，以便后面的电路对信号进行处理。低噪 声放人器的性能决定了整个接收系统的灵敏度。 3 1 低噪声放大器性能对整个低噪声模块的影响 低噪声放大器的主要性能指标有 噪声系数； 增益； 夺三阶互调； 夺带宽与平坦度 3 1 1 噪声系数 噪声系数的定义为系统输入信噪比与输出信噪比的比值，即 ，一器 刚， 田忪一 ” 其中的f 称为n o i s e f a c t o r ，它的d b 值称为n o i s e r g u r e 或n f 由于系统自身存在噪声，f 1 或n f 0 d b 。对于级联网络，噪声系数的计算有如下公式： 耻e + 等+ 最一丽f k - 1 萄 其中f 1 ，f 2 f k 为第1 ，2 - - - k 级的噪声因子，g a l ，g a 2 g a o o 为第1 ，2 k 级的资用增益。从 式( 3 2 ) 中可以看出，第一级放大器的噪声系数，对系统的总噪声系数起决定性作用。而且第一级放 人器的增益越大，后面电路的噪声对系统总噪声系数的影响越小 3 1 2 三阶互调 三阶互调是衡量电路非线性的一个指标。当系统的输入为两个幅度相近、频率问隔很小的正弦 波x ( t ) = a c o s t 一，1 t + a c o s ，童。由于系统的非线性，在系统的输出信号中，除了基波分量“1 和。2 外， 还包含了它们的各种组合频率( 不仅仅是谐波) ，即输出信号的频率分量为，u = l m u l n u2 i ， m 。n = 0 ，1 2 ，m 和n 不同时为0 的频率。其中分量相当于通过”1 和。2 相互调制而产生，称为互 调分量，由3 次失真引起的互调分量称为3 次互调分量( i m 3 ) ，需要重点考虑2 u 1 u 2 和2 u2 - u ，这 两项，因为它们就在基波分量附近，如图3 - 1 所示 lq 芦2 啦， 图3 - 1 三阶互调 第1 3 页 东南大学硕士学论文 随着信g - 幅度a 的增大，输出信号中的基波分量与l m 3 分量理论上会在某一点处达到相同的 幅度，这一点称为三阶互调点i p 3 ，对应的输入信号幅度或功率值称为输入三阶互调点i l p 3 ，而输出 点则张为o i p 3 。测量j j p 3 时，可以输入功率为p l n 的双音信号，假设输出的基波分量与i m 3 分量 上力率之差为p ，那么电路的i 1 9 3 约为 a p i i i p 3 d b , , = 只k + = ：生 ( 3 3 ) z 如图3 - 2 所示，在测量中还要注意输入信号应尽量小，以避免产生增益压缩。 c 0 10 2 2 c 0 1 一22 d 2 0 ) 】 图3 2 l i p 3 测量 图3 3 级联放大器的l i p 3 级联电路( 如图3 - 3 所示) 的i i p 3 可由式( 3 4 ) 得t t l 。 瓦1 = 上i i p 3 、+ 蕞 ( 3 ) 肝3 f 0 。，埘) 3 2 从上式看，级联放大器的第一级增益越小越好，这与从噪声系数角度得出的结论相反。因此第 一级放人器的增益要适中。 3 1 3 动态范围( s f d r ) 由于互调等非线性因素，信号不断增大将导致误码率上升，也就是说，噪声和非线性决定了系 统的动态范围。动态范围有多种定义，例如可以用1 - d b 压缩点作为信号上限。动态范围另种定义 为i m 3 与输出噪声相等时输入信号与等效输入噪声之比。 s f d r = - ；( i i p 3 一 ，m ，) ( 3 5 ) 其巾n 。k 。= 1 0 1 0 9 b + n f 一1 - 4 ，b 为系统带宽 综上所述，低噪声放大器是整个接收机的关键部分，它的性能决定了整个接收系统的灵敏度。 3 2 性能指标和器件选择 根据系统要求，低噪声放大器设计所要达到的关键指标如下： 第三章低噪声放大器设计 夺中心频率2 0 6 5g h z 夺带宽 7 0 0 m h z 夺 噪声系数1 5 d 8 夺转换增益 3 2 d b 设计低噪声放大器的首要工作是确定晶体管类型。最终系统的转换功率增益不会超过晶体管的 转换功率，噪声系数不会低于晶体管的最小噪声系数，所以选择合适的晶体管是整个设计的关键所 在。现在射频电路的设计中主要采用的有：双极性结晶体管( b j r ) ，砷化钾肖特基势垒栅场效应管 ( g a a sm e s f e t ) ，高迁移率晶体管( h e m t ) ，还有单片微波集成电路( m m i c ) 等b j t , m e s f e t j e t 的工作频率较低：而工作在k 波段的s 或g a a s 衬底的m m i c 很少有噪声系数低于1 s d b 的。h e m t 有很高的工作频率和很小的噪声系数，因此是高频低噪声放大器的首选晶体管类型。 经过众多的产品手册横向比较，最后选定的低噪声放大器晶体管为n e c 公司的n e 3 0 5 1 8 4 c 。 该晶体管是针对k 波段低噪声放大器优化的，在k 波段的最小噪声系数小于l d b ，最大增益大于 1 4 d b 。如图所示。 量 e l z 一 ：i o 一 、k 、 、必 8 - j 1 6 一 ， 1 01 21 41 61 8 2 0 2 22 42 6 f r e q ，g h z 图3 - 4n e 3 5 0 1 8 4 c 的最小噪声系数与最大增益v s 频率 可以看出，n f _ 3 5 0 1 8 4 c 是适合本设计要求的一种选择。它能满足设计的工作频率、噪声和增益 要求，并且具有性价比高的特点，在实际应用中有着广泛应用。 3 3 低噪声放器设计概述 射频放大器与常规低频电路的设计方法完全不同。它需要入射电压波和入射电流波与有源器件 的良好匹配，以降低电压驻波比，避免寄生振荡。因此，稳定性分析通常作为射频放大器的首要工 作。图3 - 5 是一个常规的单级放大器系统结构图i q 。 图3 - 5 常规单级放大器系统 图3 - 5 中。晶体管的s 参数是在一定的特定偏置条件下测定的，一般由生产厂商提供。r s 和r l 为源反射系数和负载反射系数。f i n 和r o u t 为放大器的输入端反射系数和输出端反射系数。 第1 5 页 要x；an 东南大学硕士学论文 设计放入器的第一步就是进 彳稳定性分析，通常根据程度不同将稳定性分为两类： a ) 绝对稳定，或称无条件稳定。指在选定的工作频率和偏置条件下，放大器在整个s l m i t h 圆内 ( iri 1 1 ( 3 2 1 ) 黼 剖 一 第三章低噪声放大器设计 心= 医蕊l - 瓣l s 1 1舻医i 孺卅 ( 3 趁) 放人器绝对稳定。尽管u 参数和k 参数有所不同，但可以证明两者是等价的。 现代电路仿真软件集成稳定判断的功能，使用很方便。以下是对n f _ 3 5 0 1 8 4 c 在偏置为：v d s = 2 v ， l d = i o m a 时，进行的稳定性分析。分析中包括了晶体管通过金属化孔接地的影响。仿真的电路图和 分析结果如下： y ：i i 主苫 图3 - 8n e 3 5 0 1 8 4 c 稳定性分析电路图 l 一一 d 多 ll l l 一1 - 一一 ll 1 01 2 1 4 侣1 8加2辨墨 f r e q g h z 图3 - 9 稳定性分析结果 从仿真结果来看，晶体管在1 0 g h z 一2 6 g h z 的频段内都是绝对稳定的。由于1 0 g h z 以下晶体管 的s 参数厂家未给出，所以无法进行仿真。从图中也可以看出尽管u 参数和k 参数有所不同，但他 们拐点是一致的 3 4 2 输入输出匹配目标确定 在进行稳定分析之后，重点是对增益与噪声系数进权衡。确定合适的输入输出匹配，以达到预 定的同标。进行权衡最直观的方法就是假设品体管单向传输即$ 1 2 = - 0 ，并在中心频率上同时画出源 等增益圆与等噪声系数圆。图3 - 1 0 是利用a d s 所画的等增益圆与等噪声系数圆。从图中可以看出 要使噪声系数达到最低就要牺牲一部分增益，另一方面为了提高增益就要牺牲噪声系数。进行权衡 j 亓，选择图中m 1 点作为源端的匹配目标，同时负载端采用共轭匹配。 第1 9 页 东南大学硕士学论文 图3 1 0 等噪声系数与等增益圆 设计过程作了单向化的假定，实际上源匹配与负载匹配会相互影响。由于低噪声管n e 3 5 0 1 8 4 c 的s 1 2 晌值很小，源匹配与负载匹配的相互影响很小，按图3 - 1 0 中所确定的目标进行匹配后，得到 低噪声放大器的增益与噪声系数如图3 - 1 1 ，3 - 1 2 所示。 五 ：- 孕 z 1 1 u y 、十一一 11 。j ：1 l o1 21 41 61 82 0笠 2 4 柏 f r e q ，g h ：z 图3 1 1 低噪声放大器的增益 | f ， m 5 了 1 0 1 2 1 4 1 61 82 02 22 4 f r e eg h 2 图3 12 低噪声放大器的噪声系数 上述设计过程是在中心频率上进行的，从图中可以看放大器的增益不平坦，噪声系数的起伏也 比较明显。为了改善平坦度重新调整匹配网络，噪声系数主要与源匹配网络有关，增益主要与负载 匹配有关。分别进行调整源匹配与负载匹配，并重复调整，直到放大器的增益与噪声系数达到合适 第2 0 页 第三章低噪声放大器设计 的、l 坦度。调整后的放大器仿真结果如图3 - 1 3 所示。 l m lii m 2i l f r e q - - 2 0 9 0 g h z 1 l f r e q = 2 9 s o g h z i d s ( s ( 2 , i ) i ；1 2 8 7 s ll ! ! 堕三! ：! 兰l 呈 8 f r e q g 图3 - 1 3 经过调整后放大器的增益与噪声系数 3 4 3 电路排版与测试 实际电路要考虑偏置网络。偏置电路可分为无源与有源偏置。无源网络( 即自偏置网络) 是最 简单的偏置电路，通常由电阻网络构成。有源偏置需要p n p 型的晶体管。虽然有源偏置增加了器件 数量，提高了成本。而且和自偏置电路相比需要双极性电源。但是其优点远远大于缺点。当场效应 管的参数夹断电压v p i n c h 或l d 篱变化时，电路不需要做任何调整，有源偏置网络自动将v g s 配置到 预定的偏置电压v 出和偏置电流i d s 所对应的栅极电压上仿真电路图如图冬1 4 所示。 ，盯v 图3 1 4 有源直流偏置 在图孓1 4 中，假设电阻r 2 和r 3 已经提供了一个能让p n p 晶体管q 1 的p n 结导通的偏置电压 v b ，集电极电压v 。将比v b 高0 7 v 左右，那么r 1 两端的电压都已确定，而晶体管q 1 由于r 4 在 1 0 k q 左右，i 。将很小。那么调节r 1 的大小就可以直接确定f e t 的l 电流大小。v b 和i 出确定了， 调节r 6 就可以确定f e t 的v 这样，确定f e t 工作点的两个量都已得到了限定，f e t 工作点可 以存l - v 图中唯一确定。而f e t 的栅极与翻的集电极相连并通过1 0 l ( q 的r 4 接负电压，f e t 对 壹流呈现高阻，因此v 莳v c ，v c 变化将引起晶体管q 1 的l 。变化，然而l 与f e t 的l 出相比，始终 都是可以忽略不计的。因此晶体管特性在很宽的范围内变化都不会影响其正常工作。 第2 1 页 东南人学硕士学论文 确定了直流网络，还要考虑偏置网络与射频信号的隔离。直流电压经过1 ，4 波长开路径向线与 1 4 波长的高阻线所组成的偏置网络加到晶体管上，如图3 - 1 5 所示。另外在源和负载端的微带线上 1 丕要加隔直电容，避免直流影响其它电路或者受其它电路直流的影响。放大器源端隔直电容的损耗 直接影响放人器的噪声系数，同时隔直电容的驻波会影响匹配网络。由于准确测量隔直电容的s 参 数代价比较大，输入输出匹配网络只能在实际测量过程中适当调整。 图3 1 5 单级低噪声放大器p c b 版图 图3 - 1 5 放大器f c b 图中未包含偏置电路，偏置电路放在放大器的背面，以减少对放大器的影 响。图3 - 1 6 是单级低噪声放大器的实物照片。电路板采用的r t d u r i o d e 5 8 8 0 介质基片制作，利用导 电胶将其固定在测试架上。 测试结果如图3 - 1 7 所示 图3 1 6 单级低噪声放大器 第2 2 页 第三章低噪声放大器设计 丽。l i r a 2 l i i r e q = 2 0 6 0 g h z i 1 f r , e l 1 i世p _ q = - 王2 丝0 6 望o g h z t g a i n = l 5 0 0 i f r e q g h z 图3 - 1 7 单级放大器测试结果 测试结果表明，单级低噪声放大的增益大于1 1 d b ，在2 0 4 g h z - 2 0 9 g h z 的频率范围内增益起 伏小于l d b 。噪声系数小于1 ，5 d b 。用该晶体管设计的三级低噪声放大器，增益将超过3 3 d b 。由于 增益较高，容易自激，使电路无法正常工作。解决放大器自激的办法有加吸波材料，增加级间隔离 等，这方面的工作还需要进一步完成。 3 5 小结 低噪声放大器是接收机系统最关键的电路之一本章介绍了低噪声放大器的一般设计过程，并 利用h e m t 场效应管制作了单级放大电路。实验结果表明，单级低噪声放大器的增益大于1 1 r i b ， 噪声系数小于1 5 d b 。目前在k 波段单片电路，噪声系数的典型值为z 2 d b ，增益大多在2 0 d b 以上。 混合电路在噪声系数方面有明显的优势，利用晶体设计的低噪声多级放大器增益同样可以达到2 0 旧 以上。另外在测量的低噪声放大器中场效应管前加有隔直电容，集成到接收机中时，可以将该隔直 电路去掉，因为波导口微带过渡就可以起隔直流的作用。因此去掉隔直电容后。单级放大器的噪声 系数应小于1 2 d b ，能够满足系统的要求。由于时间的关系，三级低噪声放大器实验还需要进一步完 成。 第船页 第四章带通滤波器设计 第4 章带通滤波器设计 在微波电路中，滤波器是用途最广泛的一种微波元件。为了满足各种不同的用途，出现了许多 种类型的微波滤波器。例如：按滤波器的原型来分，有集总参数原型和分布参数原型两大类。按照 网络的结构来分又可以分为低通滤波器高通滤波器，带通滤波器，带阻滤波器四类。 在卫星通信接收系统中，接收信号经过放大器的放大后，同时很多噪声也被放大，更重要的是 位于镜像频率上的干扰信号频率还可能对信号有影响，在进入混频器后，这些镜像频率上面的信号 将对微弱的卫星信号的混频处理产生严重的干扰，因此要在放大器电路后增加镜频抑制带通滤波器， 消减镜像频率信号的干扰。减少噪声的影响。 4 1 滤波器设计的一般过程 设计微波带通滤波器的一种常用方法是从集总参数低能原型出发，经过频率变换，导出集总参 数耦合谐振器带通滤波器的设计公式，然后用微波结构来实现这些耦合结构和谐振器，从而得到微 波带通滤波器r i 。 4 1 1 低通原型与耦合谐振器带通滤波器 集总元件低通原型滤波器是现代网络综合法设计滤波器的基础。图4 1 是一种双终端低通滤波 器的梯形电路，g 1 9 2 9 3 一是电路中各元件的数值，它们可由网络综合法得出的 | i 丘 旺工 a ! 卫 氛 枷l - - 日a ) 伽翻由 ( 枷e n )罅删哪 ( 6 ) 图4 1 双终端低通滤波器 根据低遁原型的不同响应，分为“巴特沃斯( b u t t e r w o l r t h ) 响应”即。最平坦响应，“切比雪 夫( t c h e b y s c h e f f ) 响应”即“等波纹响应”等。其中“切比雪夫响应”最为常用图4 - 2 所示的是 切比雪夫低通原型滤波器的衰减特性。图中o c 是低通滤波器的截止频率。式中l a ，表示通带内的衰 减最人值。 第2 5 页 东南人学硕士学论文 其数学表达式为 f 喜 j 吼 0 4 图4 2 切比雪夫低通原型滤波器的衰减特性 l ( q ) _ 1 o