电晕检测系统中低噪放大器的设计

图2中：D1、D2、L1为输入保护电路，它并接在天线输入端，其中D1和D2选用型号为1SS355的高速开关二极管，其目的是保护第一级高频放大管。因为在电晕放电现象发生的瞬间，极短时间内会产生很大的冲击幅度，很容易对电路造成损坏。故当有异常的高压出现在输入端时，需要有限幅保护电路来发挥作用。该开关二极管的反向击穿电压为80V，反向电流为0.1µA，反向恢复时间为4ns，耗时极短，正向导通电压1.2V，正向导通最大电流225mA，结电容小于3pF，其特性非常适合用于保护电路。 L1为抵消二极管结电容设置，它与开关二极管的结电容构成一个低Q值的并联谐振回路，两个二极管并联的结电容值为6pF，L1的值为0.068µH，将其带入公式

计算可得其谐振频点的值为249MHz，即中心频率点。

L2、L3、C1构成T型低通滤波器^[9]，图中，L2=L3=L ，C1=C，其截止频率为280MHz。该低通滤波器简化的计算公式如下：

　　

据现场测试表明，环境中存在这两个频率的干扰，这两个频率分别是电视地面广播第12频道的图像载频和伴音载频。故在电路中加入陷波器消除这两个信号的干扰，实际上陷波器就是两个LC并联谐振电路，用来吸收谐振频率处的信号。输入回路中的L4、C2与L7、C4分别构成了两个陷波器，它们分别对准219.25MHz和222.75MHz的频率，分别对这两个频率进行抑制。该陷波器的设计参照并联谐振陷波器的计算公式：


　　以上所述模拟滤波电路经实际制作和调试，效果良好，用扫频仪对此部分进行频率扫描的结果如图3所示，其频率特性的高频端略有凸起。

2.3 高频宽带放大器

由于上述输入回路中的滤波器是无源网络，因此对信号的衰减较大，鉴于这种情况，后级的高频宽带放大器就发挥其补偿作用，以保证接收的信号能够被精确采集。本文选用两种方案进行高频宽带放大器的研究设计，最终选用性能较为优良的进行实际制作。

2.3.1 第一种实现方案：参差调谐方案

本文起初研究的第一种方案是采用参差调谐放大器的方式对信号进行放大，此放大电路由调谐电路一和调谐电路二两个相同形式的调谐放大电路组成，各自都是双调谐高频放大电路。其频带覆盖范围分别是225MHz至255MHz 和255MHz 至280MHz，都是30MHz带宽。参差调谐放大器的具体的电路形式如图4所示。

如图4所示，由L1、 C3 、L2 、C5和L3 、C7、 L4、 C9分别构成四个调谐回路，其调谐点应该按如图5所示的分布才能组成225MHz至280MHz的带宽。因此可将四个调谐回路的谐振点分别设为：235MHz，247MHz，259MHz和271MHz，每个回路的带宽在20MHz至12MHz即可。

以上只是理论上的计算，但这些参数具体的大小是在实际电路制作时才能决定的。这是因为实际电路制作情况较为复杂，从其组成上看，本电路是由两个双调谐回路组成，不可避免的会有互感因素存在，当然还有PCB板布局布线时产生的分布电容和分布电感等方面的影响。此种方案，由于电路板的制作调试需要很长的时间，并且制作出的实际电路在实验时发现存在有一定的不稳定的因素，因此，此方案最终未能被采用。

2.3.2 第二种实现方案：集中滤波加多级宽带放大器方案

该方案中利用2SC3356晶体管构成的深度负反馈电路^[7]具有工作稳定的特点，将其三级级联，构成多级宽带放大器。其输入端连接前述的输入回路，即构成了集中滤波加宽带放大器的电路，如图6所示。

由图6可知，由晶体管Q1、Q2、Q3为有源器件组成的宽带放大器是三个完全相同的基本单元，这里就只以Q1的单元为例进行阐述，其他都是相同的原理。

此电路是采用负反馈保持放大电路稳定性的，反馈网络由R1、R2和C2构成。其中，R2是用来设置晶体管的静态工作点，C2跨接在其两端，对高频交流信号可视为短路，因而在做交流分析时，可视R2和C2均处于短路状态，此时电阻R1即是跨接在晶体管Q1的基极和集电极间的反馈电阻，构成电压并联负反馈。电阻R3串联在晶体管的发射极，通过瞬时极性法可以判断R3在此形成的是电流串联负反馈。这样采用双管齐下的方式来构成闭环电路，从而可有效地防止放大电路的自激的产生，进一步增强了电路的稳定性。

由于本电路工作在220MHz至280MHz，故采用混合π形等效电路模型^[10]来分析此电路的工作性能。其等效电路图如图7所示。

此简化等效电路的h混合参数表示为


　　(式12)中， Z₀为输人、输出端的匹配阻抗， 本设计取50Ω。

从式(11)可见， 适当选择R1和R3的阻值， 可以使得S11=S22=0 ，既确保本文所采用的电路为对称网络，而且输入端口为无回波损耗端口。此时， 电路的输人、输出完全匹配。因此取电阻满足

　　在单级放大电路中，调整R₁的阻值， 可以控制放大器的增益。根据此公式可以定性地分析一下该电路的增益控制原理，当R₁的阻值增大时，输出端反馈到输入端的负反馈信号就会减小，这时放大器的增益反而会提高;反之，当R₁的阻值减小时，负反馈信号就会增大，放大器增益相应地减小。