宽带小信号放大器的设计

1 引言

微波放大器是现代微波、毫米波通信技术和电子战等应用中一个极其重要的部分。20世纪70年代后期，开始出现了单片微波集成电路（MMIC）。放大器单片同时发展起来，方便了用户的使用。另外，随着计算机技术的高度发展，与微波、毫米波有源电路相关的仿真软件也不断的涌现。本文研制的宽带小信号放大器，在200MHz~1GHz的频带范围内，增益为55dB~60dB，驻波系数小于2dB。

2 宽带小信号放大器的设计

放大器可以有两种设计方式：一是利用管子进行设计，并用ADS优化仿真；一是直接购买单片，进行级联，同样也要利用ADS进行仿真。我们选择了Agilent公司生产的FET管子ATF54143和芯片ABA-52563进行设计仿真，并通过对比两者的仿真结果来决定加工哪种电路。ATF54143是一款高增益、低噪声、高动态响应范围的新型PHEMT。ABA-52563芯片工作频带范围从DC到3.5GHz，具有低成本、宽频带、高增益、好的输入/输出驻波比和增益平坦度好等优点。

2.1 利用管子ATF54143进行设计

采用了三级级联的方式进行设计，利用ADS进行仿真、优化，直接三级级联，然后进行总体优化，直接达到目标。由于本次设计的频带要求既涉及了较低频段，又涉及了较高频段，所以电路的设计思想是LC匹配和微带线匹配同时使用，这样就能兼顾低频与高频的匹配。首先，采用L型匹配网络进行匹配，并在各电容或电感之间利用微带进行连接,同时也把微带的宽度和长度都考虑到匹配的设计当中。然后再利用ADS优化工具进行优化。最终确定的仿真结构如图1所示：

图1 ADS仿真结构图

其仿真结果如图2、图3、图4：

图2 噪声系数的仿真结果

图3 增益的仿真结果

图4 驻波系数的仿真结果

2.2 利用芯片ABA-52563进行设计

利用三级ABA-5256进行设计。根据芯片原理图，在ADS软件里使用它的S2P文件将其三级级联起来进行仿真，并在各芯片两端加上隔直电容。基片采用0.5mm厚的FR-4材料，介电常数为4.3，级联仿真电路图如图5所示。

图5 ABA-52563芯片的仿真原理图

其仿真结果如图6、图7：

图6 ABA-52563芯片增益仿真曲线

图7 ABA-52563芯片的驻波仿真曲线

3 电路的加工与调试

将最后得到的仿真结果进行比较，我们可以看到，利用芯片ABA-52563设计的电路的增益和驻波都要好于利用ATF54143设计的电路。所以，考虑到适用性和经济性，本此设计只加工了利用芯片ABA-52563设计的放大器。

最终加工的实物图如图8

图8 宽带小信号放大器的实物图

经过初步测试，我们发现，它的增益平坦度太差，所以还需要进一步调试。具体的调试步骤如下：

首先，在第一级和第二级放大电路之间的微带线接一个电容。电容的另一端接地。再利用矢量网络分析仪进行测试。如此反复操作，同时电容的容值也不断改变。结果效果仍不理想，还需要再继续调试.

接着在第二级和第三级之间的微带线上接一个电容，电容的另一端仍然接地。结合着第一步一起调试，经过多次试验并测试之后发现，两个电容均取1.5pF后结果比刚开始要好，但还不够理想。

接下来，在馈电点与各芯片之间的连接线上分别接一个100pF的接地电容，再进行测试，其s21曲线的测试结果如图9所示。

图9 低噪声放大器的s21曲线

其驻波特性曲线如图10所示。

图10 低噪声放大器的S11曲线

实测的增益是从55dB到60dB，仿真结果是从64.9dB到65.25dB，所以，实测结果没有仿真结果好，实测的驻波也远远没有仿真的结果好。

4 结论

本文设计并制作了一个宽带小信号放大器，在此过程中，作者利用了ADS软件进行仿真、优化，并使用AutoCAD软件进行版图的绘制，最后加工制板并测试。