基于高頻雷達(dá)的匹配電路實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

高玉斌 張 蘭 鄭依凡 王才軍

(武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院， 武漢 430072)

阻抗匹配是射頻微波電路設(shè)計(jì)中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)[1-2]，其目的是為了保證信號(hào)或能量有效地從“信號(hào)源”傳送到“負(fù)載”，放大器、振蕩器、混頻器等射頻電路的設(shè)計(jì)中均需要設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)钠ヅ渚W(wǎng)絡(luò)[3]，射頻系統(tǒng)電路的級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)也要重點(diǎn)考慮阻抗匹配問(wèn)題。因此，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)成為射頻電路不可缺少的一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[4]。

然而，由于射頻微波電路的加工很難在學(xué)校實(shí)驗(yàn)室中完成，這類實(shí)驗(yàn)難以在日常教學(xué)中推廣[5]，射頻EDA軟件被大量引入課程教學(xué)[6-7]，匹配電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)通常以仿真軟件Matlab、ADS等為載體來(lái)完成匹配電路的設(shè)計(jì)，如基于ADS完成單枝節(jié)和雙枝節(jié)阻抗匹配[8-9]、寬帶匹配電路設(shè)計(jì)[10]等。結(jié)合科研項(xiàng)目來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，將自主研發(fā)的高頻雷達(dá)接收機(jī)作為應(yīng)用背景，取接收機(jī)射頻前端的匹配電路為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，設(shè)計(jì)了一個(gè)集匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、仿真和實(shí)現(xiàn)于一體的完整實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，讓學(xué)生通過(guò)實(shí)際訓(xùn)練更好地熟悉阻抗匹配電路概念及設(shè)計(jì)方法，理解其在工程中的具體應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)背景和指標(biāo)設(shè)計(jì)

高頻地波雷達(dá)利用垂直極化的高頻電磁波可沿導(dǎo)電海洋表面繞射傳播且衰減小的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋表面風(fēng)場(chǎng)、浪場(chǎng)、流場(chǎng)等動(dòng)力學(xué)參數(shù)以及海面船舶目標(biāo)和低空飛行目標(biāo)的超視距探測(cè)[11]。地波雷達(dá)工作于高頻段，信號(hào)為掃頻連續(xù)波，接收機(jī)有中頻數(shù)字化和全數(shù)字化兩種體制，其模擬前端結(jié)構(gòu)如圖1所示，程控放大器(Programmable Gain Amplifier，PGA)是其中必不可少的電路，可根據(jù)接收信號(hào)的強(qiáng)弱調(diào)整放大倍數(shù)，使得信號(hào)在A/D的量程范圍之內(nèi)。

(a)中頻數(shù)字化

(b)全數(shù)字化圖1 地波雷達(dá)接收機(jī)模擬前端結(jié)構(gòu)圖

AD8367是帶有可控制線性增益的高性能45 dB可變?cè)鲆娣糯笃鳎稍谌我獾皖l到500 MHz的頻率范圍內(nèi)穩(wěn)定工作[12]，很適合用在地波雷達(dá)接收機(jī)前端電路實(shí)現(xiàn)程控放大。但AD8367適應(yīng)于200歐姆阻抗的系統(tǒng)，其輸入阻抗為200 Ω。按照?qǐng)D1，程控放大器AD8367兩端連接帶通濾波器，系統(tǒng)中所采用的濾波器阻抗均為50 Ω，與AD8367輸入端阻抗不匹配，信號(hào)不能有效地傳遞，因此需要結(jié)合工作頻率和帶寬，在程控放大器AD8367前設(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)，使得濾波器與AD8367輸入端阻抗匹配，從而實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)的最大功率傳輸。

圖2 濾波器與程控放大器之間的匹配電路

因此，依據(jù)該實(shí)際項(xiàng)目設(shè)計(jì)背景，本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要求為：分別設(shè)計(jì)如圖2所示濾波器(50 Ω)與程控放大器(200 Ω)之間的匹配電路，滿足以下工作要求：

(1)中頻數(shù)字化體制下，載波頻率范圍為7～12.5 MHz。接收信號(hào)經(jīng)混頻后中頻信號(hào)載波頻率為40.5 MHz，經(jīng)過(guò)兩級(jí)濾波器(BPF2和BPF3)后進(jìn)入PGA的信號(hào)中心頻率為40.5 MHz，帶寬為4 KHz。

(2)全數(shù)字化體制下，信號(hào)為掃頻連續(xù)波，載波頻率范圍同樣為7～12.5 MHz。信號(hào)放大濾波后進(jìn)入程控放大。

2 設(shè)計(jì)原理

通過(guò)電路模型來(lái)分析負(fù)載阻抗和源阻抗該如何進(jìn)行匹配才能實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸。Zs為源阻抗；ZL為負(fù)載阻抗；Vs為輸入電壓，則負(fù)載端輸出功率為：

(1)

信號(hào)源阻抗與負(fù)載阻抗共軛相等時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)最大功率傳輸。

考慮到雷達(dá)工作在短波段，選擇集總參數(shù)元件進(jìn)行匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，即利用電容、電感、電阻等分立元件來(lái)組成匹配網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)匹配電路形式的不同，主要有：L型匹配網(wǎng)絡(luò)、T型匹配網(wǎng)絡(luò)、π型匹配網(wǎng)絡(luò)和多L級(jí)聯(lián)型等等。

(a) L型匹配網(wǎng)絡(luò)

(b)L型匹配網(wǎng)絡(luò)圖3 L型匹配電路形式

其中L型匹配網(wǎng)絡(luò)有兩種形式如圖3所示，不同類型的L型匹配電路會(huì)有不同的匹配禁區(qū)，由于所要設(shè)計(jì)的匹配網(wǎng)絡(luò)ZL>Zs，可選擇圖3中(a)類電路，其理論值為：

(2)

3 設(shè)計(jì)過(guò)程

下面以L型匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)過(guò)程為例。首先，分析單個(gè)元件對(duì)阻抗變換的影響。

3.1 探究L、C的變化對(duì)匹配結(jié)果的影響

設(shè)置源阻抗Zs=50 Ω，負(fù)載阻抗ZL=200 Ω，歸一化阻抗設(shè)置為50 Ω，并加入S參數(shù)仿真控件，設(shè)置L型匹配電路，如圖4(a)左圖所示。

為了仿真電容值的影響，先短路電感，掃描電容并進(jìn)行S參數(shù)仿真，仿真電路和輸入阻抗變化軌跡如圖4(a)所示。圖中，歸一化源阻抗位于原點(diǎn)，歸一化負(fù)載阻抗位于m1處。并聯(lián)電容時(shí)參量點(diǎn)沿等電導(dǎo)圓向電納增加方向移動(dòng)。參量點(diǎn)在Smith圓圖的變化軌跡與經(jīng)過(guò)原點(diǎn)的等電阻圓的交點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)電容值即為所需電容。

掃描電感L，電路和輸入阻抗變化軌跡如圖4(b)所示，串聯(lián)電感時(shí)參量點(diǎn)沿等電阻圓向電抗增加方向移動(dòng)，在m2位置處實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。

同理，也可先并聯(lián)電感，再串聯(lián)電容，得到參量點(diǎn)在Smith圓圖的變化軌跡圖。串聯(lián)電容，參量點(diǎn)沿等電阻圓向電抗減小方向移動(dòng)；并聯(lián)電感，參量點(diǎn)沿等電導(dǎo)圓向電納減小方向移動(dòng)。

(a)并聯(lián)電容對(duì)匹配結(jié)果的影響仿真

(b)串聯(lián)電感對(duì)匹配結(jié)果的影響仿真圖4 匹配過(guò)程及結(jié)果

3.2 設(shè)計(jì)中頻數(shù)字化體制中的匹配電路

中頻數(shù)字化體制下，要設(shè)計(jì)匹配電路屬于窄帶匹配電路，匹配電路設(shè)計(jì)基于單頻點(diǎn)匹配即可?？勺孕羞x擇合適的器件設(shè)計(jì)匹配電路，如圖5(a)所示，共有兩種匹配電路，考慮合適的元件值、元件損壞后是否對(duì)電路造成大影響等，從中選擇合適的電路。這里從電路結(jié)構(gòu)出發(fā)，考慮到電容接地型電路在元件損壞的情況下對(duì)電路影響小一些，因此選擇了電容接地型匹配電路。

用實(shí)際電容電感來(lái)替換理論值如表1所示，其中電感選用AIC的330 nH貼片電感，電容選用ATC的36 pF貼片電容，如圖5(b)所示。圖5(c)依次給出了匹配后1端口反射損耗、駐波比、匹配電路插入損耗和1端口阻抗，從圖可看出，在40.5 MHz處匹配電路的反射損耗為-32.571 dB，駐波比非常接近于1，匹配電路插入損耗低于0.2 dB?？梢?jiàn)所設(shè)計(jì)的匹配電路達(dá)到了相當(dāng)好的匹配效果，不過(guò)實(shí)際中匹配效果也會(huì)受到元件精度、環(huán)境等因素的影響。

3.3 設(shè)計(jì)全數(shù)字化體制中的匹配電路

全數(shù)字化體制下匹配電路需要覆蓋整個(gè)載波頻段7～12.5 MHz。先按照L型匹配進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到匹配電路如圖6(a)所示，仿真結(jié)果如圖6(d)中藍(lán)色曲線所示。

為了分析該L型匹配網(wǎng)絡(luò)的匹配效果，將匹配結(jié)果與AD8367芯片手冊(cè)推薦的電阻匹配網(wǎng)絡(luò)(圖6(b))進(jìn)行對(duì)比。該匹配網(wǎng)絡(luò)由57.6 Ω并聯(lián)電阻和174 Ω串聯(lián)電阻完成阻抗轉(zhuǎn)換，其仿真結(jié)果如圖6(d)中所示。

(a)理論匹配電路

(b)實(shí)際匹配電路

(c)實(shí)際電路仿真曲線圖5 中頻數(shù)字化前端的匹配電路及仿真結(jié)果

表1 L、C理論值與實(shí)際值

對(duì)比兩種電路的仿真結(jié)果，電阻匹配電路在7～12.5 MHz整個(gè)頻段內(nèi)匹配都很好，反射系數(shù)和電壓駐波比基本保持不變，達(dá)到寬帶匹配，但其插入損耗很大，達(dá)到-11.5 dB，而且附加電阻會(huì)增加熱噪聲，造成電路噪聲系數(shù)的惡化；而電容電感匹配電路匹配狀態(tài)受頻率影響，在頻帶范圍內(nèi)駐波比在1.1～2.3范圍內(nèi)變化，在中心頻率10 MHz處匹配效果最好，整個(gè)帶寬內(nèi)插損較小，在1 dB以內(nèi)。為了進(jìn)一步增大匹配帶寬，可用兩級(jí)L型匹配網(wǎng)絡(luò)如圖6(c)所示，仿真結(jié)果圖如圖6(d)中紫色曲線，在頻帶范圍內(nèi)駐波比在1.1～1.8范圍內(nèi)變化因此，插損小于0.6 dB，可看出其帶寬較單L型匹配網(wǎng)絡(luò)有明顯增大。

(a)L型匹配

(b)電阻匹配

(c)雙L型匹配

(d)匹配結(jié)果圖6 全數(shù)字化前端的匹配電路及仿真結(jié)果

3.4 實(shí)測(cè)結(jié)果

可選擇一種匹配電路實(shí)現(xiàn)并接入電路進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果再次優(yōu)化匹配電路。為了測(cè)試方便，將AD8367增益固定為20 dB，頻譜儀(端口阻抗為50 Ω)跟蹤源輸出3～30 MHz掃頻信號(hào)，經(jīng)匹配電路后進(jìn)入AD8367。

圖7給出了利用頻譜儀測(cè)試放大器增益的部分結(jié)果，(a)圖為采用如圖6(b)所示電阻匹配電路放大器增益測(cè)量情況， (b)圖是采用如圖6(a)所示L型匹配電路后放大器增益測(cè)量情況。

從測(cè)量結(jié)果可以看出，采用電阻匹配網(wǎng)絡(luò)增益約為9 dB，采用L型匹配在7～12.5 MHz增益約為17.4～19.3 dB，波動(dòng)低于2 dB，與仿真結(jié)果相吻合，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)射頻電路實(shí)驗(yàn)中匹配電路設(shè)計(jì)進(jìn)行探索，結(jié)合實(shí)際工程中高頻雷達(dá)接收機(jī)中程控放大器AD8367的匹配電路設(shè)計(jì)實(shí)例，以ADS軟件為平臺(tái)設(shè)計(jì)了一個(gè)阻抗匹配的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，將理論教學(xué)和實(shí)際應(yīng)用相融合，通過(guò)該項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠更好地理解無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)的匹配的原理、實(shí)際意義及其在工程中的具體應(yīng)用，同時(shí)鍛煉學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力，取得了不錯(cuò)的教學(xué)效果，對(duì)后續(xù)射頻實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容也有較大的幫助。

(a)電阻匹配

(b)L型匹配圖7 電路實(shí)測(cè)結(jié)果