劉宏梅，張 妍，房少軍

（大連海事大學(xué) 國家級(jí)電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，遼寧 大連 116026）

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，無線通信設(shè)備正朝著頻率高、功能強(qiáng)、功耗低的方向發(fā)展[1-2]。在射頻微波領(lǐng)域，“射頻電路設(shè)計(jì)”是一門必修課程[3]。為了加深學(xué)生對(duì)課程中繁復(fù)的公式及理論內(nèi)容的理解，近年來各高校紛紛開設(shè)射頻實(shí)驗(yàn)課程，但大多僅限于用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀或頻譜儀測(cè)量一些基于微帶電路設(shè)計(jì)的射頻器件[4]，后又逐步設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了針對(duì)射頻無源器件的可重復(fù)使用的射頻無源電路實(shí)驗(yàn)裝置[5-10]。

目前，實(shí)驗(yàn)室可重復(fù)使用的射頻實(shí)驗(yàn)裝置大多是針對(duì)無源器件的。但射頻電路不僅包括無源電路，還包括有源電路。其中，低噪聲放大電路是一種重要的射頻有源電路。它的作用是放大天線從空中接收到的微弱信號(hào)，減少噪聲干擾，以供系統(tǒng)解調(diào)出信息數(shù)據(jù)[11]，一般用作各類無線電接收機(jī)的高頻或中頻前置放大器，以及高靈敏度電子探測(cè)設(shè)備的放大電路。但目前并未發(fā)現(xiàn)有關(guān)低噪聲放大電路的實(shí)驗(yàn)板。

針對(duì)射頻有源實(shí)驗(yàn)設(shè)備短缺的情況，我們結(jié)合射頻電路設(shè)計(jì)課程，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種可重復(fù)使用、成本低的自主設(shè)計(jì)型低噪聲放大電路實(shí)驗(yàn)裝置?；谠搶?shí)驗(yàn)裝置，學(xué)生可以利用ADS 軟件自主設(shè)計(jì)低噪聲放大器的輸入和輸出阻抗匹配電路；根據(jù)設(shè)計(jì)好的尺寸剪裁銅箔，并將銅箔貼在實(shí)驗(yàn)裝置中的自主設(shè)計(jì)區(qū)域；將設(shè)計(jì)好的低噪聲放大器連接測(cè)試設(shè)備；根據(jù)測(cè)試結(jié)果調(diào)試匹配電路結(jié)構(gòu)，獲得最佳性能。測(cè)試結(jié)果表明，基于該實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)完成的射頻低噪聲放大器不僅能夠?qū)崿F(xiàn)良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，還能夠用于教師的科研開發(fā)。

1 射頻低噪聲放大電路實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

圖1 給出了低噪聲放大電路實(shí)驗(yàn)裝置的構(gòu)成框圖。該裝置由介質(zhì)板、低噪聲放大電路和偏置電路保護(hù)罩構(gòu)成。其中低噪聲放大電路又分為低噪聲放大芯片、直流偏置電路、輸入/輸出匹配設(shè)計(jì)區(qū)域和供電裝置。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)成框圖

考慮到適合手工加工的微帶線寬度為2～4 mm，為降低成本，選用介電常數(shù)為4.4、厚度為1.5 mm 的雙面覆銅FR4 板作為實(shí)驗(yàn)裝置的介質(zhì)基板。該基板對(duì)應(yīng)的50 Ω 微帶線的線寬為2.85 mm。

考慮到與所選FR4 板和測(cè)試設(shè)備（矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀）的適配性，以及成本和性能等方面的因素，選用SMA 接頭作為低噪聲放大器的輸入和輸出端口。從穩(wěn)定性及價(jià)格方面考慮，選用了ATF54143 低噪聲放大芯片。直流偏置電路采用經(jīng)典的三電阻分壓方式。從ADS 軟件的器件庫中調(diào)用ATF54143 模型仿真，得到它的工作電壓為：柵源電壓Vgs=3.16 V，漏源電壓Vds=0.57 V。為使直流偏置電路能夠正常工作，通過計(jì)算并考慮到常用電阻值的限制，最終選取三個(gè)電阻的阻值分別為82 Ω、620 Ω 和33 Ω。

為保護(hù)直流偏置電路，設(shè)計(jì)了一個(gè)透明的保護(hù)罩，并采用3D 打印技術(shù)加工成品。保護(hù)罩采用透明材質(zhì)，方便學(xué)生觀察直流偏置電路的結(jié)構(gòu)。在保護(hù)罩上留有兩個(gè)圓孔，方便學(xué)生使用萬用表測(cè)量低噪聲放大芯片的柵極和漏極工作電壓，以確定直流偏置電路的工作狀態(tài)。出于安全性和易操作性考慮，采用5 V 插拔式供電裝置供電。該供電裝置由電源座和可插拔電源線構(gòu)成，電源座采用兩腳接插件，電源線的一端與接插件連接，另一端是USB 接口，與手機(jī)充電器連接。

理論上該射頻低噪聲放大電路實(shí)驗(yàn)裝置能實(shí)現(xiàn)的頻率范圍為0.8～2.0 GHz。由于實(shí)驗(yàn)裝置的尺寸大小與中心頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)成正比，而頻率越低所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，因此以800 MHz 為依據(jù)確定實(shí)驗(yàn)裝置的尺寸。在此基礎(chǔ)上，考慮到需預(yù)留足夠的輸入/輸出匹配電路設(shè)計(jì)區(qū)域，最終確定低噪聲放大電路實(shí)驗(yàn)裝置的總尺寸為150 mm×70 mm。

2 射頻低噪聲放大電路實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)現(xiàn)

加工實(shí)驗(yàn)裝置所需的主要材料有：雙面覆銅FR4板一塊，SMA 接頭兩個(gè)，5 V 插拔式電源座及電源線，電子元件（電容、電感和電阻），雙面導(dǎo)電銅箔和透明保護(hù)罩。

加工流程如下：

（1）切割實(shí)驗(yàn)板。使用雕刻機(jī)切割一塊尺寸為150 mm×70 mm 的雙面覆銅FR4 板。

（2）非設(shè)計(jì)部分電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。FR4 板正面保留直流偏置電路、輸入和輸出端口50 Ω 微帶線的覆銅部分，采用腐蝕技術(shù)將其他銅去掉。FR4 板背面保留銅作為地板，僅在與5 V 插拔式供電裝置對(duì)應(yīng)的位置上腐蝕掉一個(gè)方槽，將電源正極與負(fù)極分開。

（3）偏置電路設(shè)計(jì)。采用經(jīng)典的三電阻分壓式偏置電路，直流偏置電路的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。其中旁路電容選用150 pF 的貼片電容，扼流電感選用100 nH的貼片電感。

圖2 直流偏置電路結(jié)構(gòu)圖

（4）安裝接頭和電源座。將兩個(gè)SMA 接頭分別與輸入、輸出50 Ω 微帶線焊接。電源座的一腳與低噪聲放大電路供電線焊接，另一腳與地板焊接。

（5）加工并安裝保護(hù)罩。采用CREALITY 3D 打印機(jī)加工透明保護(hù)罩。使用打孔機(jī)在介質(zhì)板上與保護(hù)罩四腳對(duì)應(yīng)處打孔，放置保護(hù)罩并用螺絲鎖緊。

加工后的低噪聲放大電路實(shí)驗(yàn)裝置如圖3 所示。實(shí)驗(yàn)裝置的正面從左到右依次是輸入端50 Ω 微帶線、輸入匹配設(shè)計(jì)區(qū)域、芯片和偏置電路、供電裝置、輸出匹配設(shè)計(jì)區(qū)域和輸出端50 Ω 微帶線。背面由地板和方形槽組成。其中方形槽位于接插件后方，用于將電源的正極和負(fù)極隔開。

圖3 低噪聲放大電路實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖

3 射頻低噪聲放大器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程

下面以900 MHz 低噪聲放大器的設(shè)計(jì)為例，說明如何設(shè)計(jì)該低噪聲放大電路實(shí)驗(yàn)裝置。

具體設(shè)計(jì)步驟如下：

（1）穩(wěn)定性分析。在ADS 軟件中仿真，觀察穩(wěn)定系數(shù)K 的曲線，只有穩(wěn)定系數(shù)K＞1 放大器電路才會(huì)穩(wěn)定[12]。經(jīng)仿真，在芯片的兩個(gè)源極與地之間分別加一個(gè)1.2 nH 的負(fù)反饋電感能使穩(wěn)定系數(shù)K＞1。

（2）輸入阻抗匹配。通過調(diào)用 ADS 軟件中的[S-Parameter Simulations]模板仿真，可以得到輸入阻抗值，再用軟件中的史密斯圓圖對(duì)芯片的輸入端口進(jìn)行匹配[13]。輸入端匹配遵循最小噪聲原則，采用微帶線匹配結(jié)構(gòu)。輸入端的匹配過程如圖4 所示。

（3）輸出阻抗匹配。調(diào)用[S-Parameter Simulations]模板仿真得到輸出阻抗值，輸出端口的匹配同樣在ADS 軟件中借助史密斯圓圖來完成。輸出端匹配遵循最大增益原則，也采用微帶線匹配結(jié)構(gòu)。輸出端的匹配過程如圖5 所示。

（4）版圖聯(lián)合仿真。將設(shè)計(jì)好的電路生成版圖與原理圖進(jìn)行聯(lián)合仿真，觀察S 參數(shù)仿真結(jié)果。通過調(diào)節(jié)各匹配枝節(jié)的長(zhǎng)度和寬度優(yōu)化聯(lián)合仿真結(jié)果，優(yōu)化后的結(jié)果如圖6 所示。

圖4 輸入阻抗匹配

圖5 輸出阻抗匹配

由圖6 可得，仿真得到的低噪聲放大電路在中心頻率900 MHz 處的S11為-20.027 dB，S21為17.743 dB，S22為-20.203 dB。

（5）加工制作。記錄最優(yōu)仿真結(jié)果對(duì)應(yīng)的各微帶線匹配枝節(jié)的長(zhǎng)度和寬度。使用小刀切割同尺寸的雙面導(dǎo)電銅箔，粘貼在輸入和輸出匹配設(shè)計(jì)區(qū)域，實(shí)物如圖7 所示。

（6）實(shí)物測(cè)試。接通5 V 電源，用萬用表測(cè)量直流偏置電路的工作電壓是否正確，用頻譜儀測(cè)量是否有自激現(xiàn)象。當(dāng)工作電壓正常且無自激產(chǎn)生時(shí)，將實(shí)驗(yàn)裝置與已校準(zhǔn)的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀連接，測(cè)試該低噪聲放大器的性能。測(cè)得的S 參數(shù)結(jié)果如圖8 所示。

圖8 S 參數(shù)實(shí)物測(cè)試結(jié)果圖

由圖8 可得，自主設(shè)計(jì)的低噪聲放大器在中心頻率900 MHz 處S11約為-25 dB，S21約為12 dB，S22約為-32.7 dB，與聯(lián)合仿真結(jié)果較吻合。

4 結(jié)語

本文提出了一種可自主設(shè)計(jì)的低噪聲放大電路實(shí)驗(yàn)裝置，打破了國內(nèi)高校射頻有源電路實(shí)驗(yàn)裝置短缺的困局，結(jié)合本校開設(shè)的射頻有源電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課程，能夠提高學(xué)生的自主設(shè)計(jì)能力，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)，并加深對(duì)課程內(nèi)容的理解。

實(shí)踐表明，本文提出的低噪聲放大電路實(shí)驗(yàn)裝置具有易制作、成本低、可重復(fù)利用、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，適用于射頻有源電路設(shè)計(jì)課程配套的實(shí)驗(yàn)課。本裝置使用了特制的插拔式供電方式，規(guī)避了供電上的危險(xiǎn)。通過采用銅箔粘貼方式替代電烙鐵焊接方式，實(shí)現(xiàn)放大器輸入和輸出端口匹配，提高了操作中的安全性。