寬帶小信號放大器的設計

　　1 引言

　　微波放大器是現代微波、毫米波通信技術和電子戰等應用中一個極其重要的部分。20世紀70年代后期，開始出現了單片微波集成電路(MMIC)。放大器單片同時發展起來，方便了用戶的使用。另外，隨著計算機技術的高度發展，與微波、毫米波有源電路相關的仿真軟件也不斷的涌現。本文研制的寬帶小信號放大器，在200MHz~1GHz的頻帶范圍內，增益為55dB~60dB，駐波系數小于2dB。

　　2 寬帶小信號放大器的設計

　　放大器可以有兩種設計方式：一是利用管子進行設計，并用ADS優化仿真;一是直接購買單片，進行級聯，同樣也要利用ADS進行仿真。我們選擇了Agilent公司生產的FET管子ATF54143和芯片ABA-52563進行設計仿真，并通過對比兩者的仿真結果來決定加工哪種電路。ATF54143是一款高增益、低噪聲、高動態響應范圍的新型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點。

　　2.1 利用管子ATF54143進行設計

　　采用了三級級聯的方式進行設計，利用ADS進行仿真、優化，直接三級級聯，然后進行總體優化，直接達到目標。由于本次設計的頻帶要求既涉及了較低頻段，又涉及了較高頻段，所以電路的設計思想是LC匹配和微帶線匹配同時使用，這樣就能兼顧低頻與高頻的匹配。首先，采用L型匹配網絡進行匹配，并在各電容或電感之間利用微帶進行連接,同時也把微帶的寬度和長度都考慮到匹配的設計當中。然后再利用ADS優化工具進行優化。最終確定的仿真結構如圖1所示：

　　圖1 ADS仿真結構圖

　　其仿真結果如圖2、圖3、圖4：

　　圖2 噪聲系數的仿真結果

　　圖3 增益的仿真結果

　　圖4 駐波系數的仿真結果

　　2.2 利用芯片ABA-52563進行設計

　　利用三級ABA-5256進行設計。根據芯片原理圖，在ADS軟件里使用它的S2P文件將其三級級聯起來進行仿真，并在各芯片兩端加上隔直電容。基片采用0.5mm厚的FR-4材料，介電常數為4.3，級聯仿真電路圖如圖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 電路的加工與調試

　　將最后得到的仿真結果進行比較，我們可以看到，利用芯片ABA-52563設計的電路的增益和駐波都要好于利用ATF54143設計的電路。所以，考慮到適用性和經濟性，本此設計只加工了利用芯片ABA-52563設計的放大器。

　　最終加工的實物圖如圖8

　　圖8 寬帶小信號放大器的實物圖

　　經過初步測試，我們發現，它的增益平坦度太差，所以還需要進一步調試。具體的調試步驟如下：

　　首先，在第一級和第二級放大電路之間的微帶線接一個電容。電容的另一端接地。再利用矢量網絡分析儀進行測試。如此反復操作，同時電容的容值也不斷改變。結果效果仍不理想，還需要再繼續調試.

　　接著在第二級和第三級之間的微帶線上接一個電容，電容的另一端仍然接地。結合著第一步一起調試，經過多次試驗并測試之后發現，兩個電容均取1.5pF后結果比剛開始要好，但還不夠理想。

　　接下來，在饋電點與各芯片之間的連接線上分別接一個100pF的接地電容，再進行測試，其s21曲線的測試結果如圖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

　　實測的增益是從55dB到60dB，仿真結果是從64.9dB到65.25dB，所以，實測結果沒有仿真結果好，實測的駐波也遠遠沒有仿真的結果好。

　　4 結論

　　本文設計并制作了一個寬帶小信號放大器，在此過程中，作者利用了ADS軟件進行仿真、優化，并使用AutoCAD軟件進行版圖的繪制，最后加工制板并測試。