射频放大电路设计性实验

分类：应用电子技术论文发表 时间：2020-12-02 10:46 关注：(1)

　　为了改善目前高校射频有源电路设计性实验的匮乏，实验教学效果不佳的现状，结合我国工程教育的核心理念，以射频放大电路为例，设计了一款通用的射频有源电路实验教学开发板，包括偏置电路、稳定电路、匹配电路和调试电路四个操作区域。分区块的实验教学模式，不仅有利于学生加深对射频有源电路理论的理解，而且也方便教师对实验过程给出有效的评价，对教学效果持续改进也起到积极作用。此外，采用设计—仿真—制作—调试—再设计的闭环实验过程，教学方法更加注重过程教育，有效提高了学生解决复杂工程问题的能力以及获得感，培养了学生的工程素养。

　　关键词:工程教育;射频有源电路;分区实验

　　二十一世纪以来，全球科技创新空前活跃，迅速变化的世界更加需要具有创新思维的工程技术人才，注重以成果为导向的工程人才的培养，是目前我国教育改革与发展的基本方针［1－4］。“射频电路设计”课程是通信和电子信息工程专业的一门工程实践性较强的课程，单纯理论的学习相对复杂难懂，因此配套开设的实验课程则尤为重要，实验内容也需要紧密结合实际工程案例，才有利于学生掌握射频工程领域的基本原理和系统知识。目前许多高校开设的射频电路实验，只是利用ADS、HFSS等系统仿真软件对部分射频电路模型进行电脑仿真［5－7］，缺乏动手环节，脱离工程实际，实验效果不理想。傅世强等［8］提出了射频无源电路开发板并应用于实验教学当中，取得了很好的教学效果。然而，射频有源电路的创新设计性实验开发却几乎空白。由于射频有源电路知识概念抽象，涉及的动手实验环节中设计性电路不好实现，有源电路实物制作时晶体管成本较高且易出问题，调试费时费力等原因，所以现在的学生只接受这部分内容的理论授课、仿真实验以及一些简单验证性的测试训练［9－10］。射频有源电路实践教学一直没有引入有效的方法，导致学生对该部分知识体系掌握不够立体，缺少主动设计电路以及解决实际工程问题的能力。射频放大器作为典型的射频有源电路，在民用和军工领域有重要应用，选其作为实验课程的内容，具有较好的工程背景以及应用价值。基于上述情况，本文设计了一款射频放大器有源电路开发板，包含设计功能区和调试功能区，为射频有源电路设计提供了一种新的实践教学方法，增加了学生自主设计实验环节，有利于实现设计－仿真－制作－调试－再设计的闭环开发过程，使学生能够不断完善电路设计，提升实验效果。分区设计的实验模式则会使学生的实验过程透明化，利于教师对学生的实验过程进行考核评价，及时掌握学生的知识能力水平，有针对性地指导学生完成实验，对帮助学生查缺补漏和持续改进具有积极的推动作用，从而达到工程人才培养的目的。

　　1射频有源放大电路开发板的设计

　　为了降低实验成本，设计的开发板采用厚度1.5mm的FＲ4射频电路板。在开发板上蚀刻出所需的射频传输线和直流供电线路，并安装有一个晶体管、两个拨动开关，两个直流插针和四个SMA接头(其中两个调试接头位于开发板背面)，预留位置的相关贴片ＲLC元件后续由学生具体设计电路时确定。实验开发板的工作频率设定在1．5GHz处，选用适用于450MHz～6GHz工作频段的ATF54143晶体管，在1.5GHz的典型情况下，噪声系数小于0．5dB，相关增益可达到17dB以上。开发板提供了四个关键电路设计的分区，包括:偏置电路设计区、稳定电路设计区以及输入输出匹配电路设计区，如图1所示，学生可针对这几个重要区块进行高效地实验。设计偏置电路时，学生可根据供电电压自行选择静态工作点设计偏置网络，选择需要的电阻值进行表面贴装，同时还需要考虑直流电路和射频电路的隔离，即隔直电容和扼流电感的选取，最终使用电压表测量各节点处电压值，检查电路工作状况。设计稳定电路时，可采用在输入端串联电阻的结构来调节电路的稳定性。电阻阻值越大，电路越趋于稳定，实际调节时让电路在工作频率范围内达到绝对稳定状态即可。匹配电路设计使用微带单枝节匹配结构，采用铜箔粘贴的方式，并配有数字标尺方便学生进行实物加工。实物制作完成后，使用矢量网络分析仪测试S参数得到增益与匹配结果。此外，考虑到有源电路设计实测结果与理论结果出入较大，开发板提供了电路测试调试功能，拨动开关打到下方可直接读出当前偏置电路下有源晶体管的S参数数据，以备调试使用。

　　2射频高增益放大器实验内容

　　以成果导向教育理念为核心，结合教师的科研项目内容，设计了音视频无线传输系统中放大器设计实验，实验要求基于ADS软件和射频有源电路开发板设计一款工作频率在1．5GHz，带宽为100MHz，通带内增益至少为14dB的高增益放大器。学生最终设计的放大器可以应用于该无线传输系统，实现信号的增强，从而达到实验目的，进而培养学生在工程实践活动中的综合素养。2．1设计和仿真方案首先利用ADS软件对晶体管进行直流扫描分析，确定静态工作点为Vds=3V，Ids=60mA。在直流供电5V的情况下，结合开发板设定的结构及实际电阻元件，最后偏置电阻阻值定为Ｒ1=30Ω，Ｒ2=200Ω，Ｒ3=27Ω。然后调节输入端串联电阻使电路处于稳定状态，确定为Ｒ4=3Ω，此时稳定性系数大于1，电路在工作频率范围内达到绝对稳定状态。最后采用微带单枝节匹配方式构建匹配网络，经调谐优化后的最终仿真电路如图2所示。图3给出了理论仿真结果，从仿真曲线可看出，在1．44～1.56GHz频率范围内，最高增益达到18．2dB，输入输出回波损耗均在10dB以上，各项性能指标满足设计要求。2．2实物制作和调试方案根据仿真电路结构在开发板上制作放大器实物电路，成品如图4所示。实物加工完成后进行仪器测量，测试过程如图5所示。采用5V直流电压源供电，用电压表测量晶体管各节点直流电压值，测试结果与仿真结果基本吻合。接下来将矢量网络分析仪接到放大器输入输出端口，测量经过匹配后的放大器电路S参数，由于晶体管仿真模型与实物存在偏差，导致测试结果与仿真结果不一致，因此匹配电路结构需要调整。拨动开关打到测试端，将矢量网络分析仪接到开发板背面的调试端口读取当前偏置电路下晶体管的S参数，再将实测的S参数数据导回到ADS软件中，重新修正匹配电路。修正后放大器电路S参数实测结果如图6所示，由于仿真结果基于理论模型，并未考虑接头损耗和实际元件误差等因素，导致实测放大器增益为15dB左右，稍低于仿真结果，仍满足技术指标要求。至此，整个放大器制作过程完成。

　　3射频有源电路开发板实验教学的特点

　　该射频放大器实验教学开发板，不仅可以完成高增益放大电路的设计，还可完成低噪声放大器电路的设计，实现一板多用，具有很高的灵活性。避免了实验教学内容的单一化，为其他有源电路实验教图4放大器实物电路成品图图5放大器实物测试调试过程图6调试后放大器电路S参数测试结果学提供了思路，即教师可结合科研项目增添相关的实验内容，将理论延伸到工程实践，使学生从工程实际出发，设计出工程应用性高的产品，提高学生的学习获得感。该开发板的设计采用了简单的ＲLC元件焊接和铜箔粘贴的加工方式，因此便于拆卸和更改元件值，实现开发板的重复利用，可节约实验材料，降低实验教学成本。开发板的调试功能结合整体设计过程，形成了闭环开发系统，能够帮助学生不断完善实验成果。了解理论仿真和实际工程的差别，解决了理论教学和实践教学相脱节的问题，锻炼了学生发现、分析、解决开放性工程实际问题的能力。学生的学习效果是课程教学研究与改革成功与否的关键，因此建立公平、合理、专业、有效的考核与评价机制，对进一步提高工程教育质量具有重要意义。对开放式实验的评估，不能仅仅局限于实验的最终结果，要综合评定学生在实验过程中的表现，使一些在实验中认真付出努力却由于一些意外因素导致实验最终没有呈现出好结果的学生也可以得到准确的评价。设计的射频放大器有源电路实验教学开发板则有效地解决了这个问题，分区设计的实验模式不仅会使学生设计思路更为清晰，而且使实验过程高效化、透明化，教师可根据学生的实验过程，进行过程性考核评价，更全面客观地评判学生实验学习效果。

　　4结语

　　为贯彻落实国家教育改革与发展方针，即注重创新工程人才的培养，许多高校已经逐渐加大实验教学改革的力度，尤其是工程实践性较强的课程。本文设计了一款适用于“射频电路设计实验”课程的多功能射频放大器实验教学开发板。通过结合实际工程案例进行理论设计，基于ADS平台进行软件仿真，利用分区设计模式的有源电路开发板进行实物制作，并配合使用射频仪器对实物进行测试以及再调试完善的闭环开发过程，完善了实验教学模式。该教学模式不仅使学生巩固了基础理论知识，提升了自主设计有源电路和解决实际工程问题的综合能力，而且方便教师进行有效的过程考核与评价，对教师帮助学生持续改进学习效果起到了积极作用，在教学及教学活动的评估中均取得了很好的教学效果，可为其他高校“有源射频电路实验”的教学提供一些经验和参考。

　　作者：傅世强 张佳琦 李婵娟 房少军