小型化毫米波增益均衡器的仿真設(shè)計

王 璇,紀學(xué)軍,姜海玲

(中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北石家莊050081)

0 引言

信號在傳輸?shù)倪^程中可能會出現(xiàn)幅度畸變和相移畸變。為了保證傳輸?shù)馁|(zhì)量,畸變大小應(yīng)受到限制。通常是通過均衡網(wǎng)絡(luò)來進行校正。校正幅度畸變的工作原理是使信號在畸變之前或之后經(jīng)過一個均衡網(wǎng)絡(luò),這個網(wǎng)絡(luò)的特性恰好與信號的幅頻特性相反,這樣就可以使信號不發(fā)生幅度畸變,插入的這個網(wǎng)絡(luò)就是增益均衡器。增益均衡器主要技術(shù)要求有2:①在工作頻帶內(nèi)要有符合要求的增益衰減曲線;②輸人輸出駐波要盡量小,即反射功率越小越好,與外部電路相匹配[1]。

傳統(tǒng)的毫米波均衡器結(jié)構(gòu)形式中主傳輸線大多采用矩形波導(dǎo),但隨著毫米波接收前端集成方式的改變以及小型化的發(fā)展趨勢,波導(dǎo)結(jié)構(gòu)漸漸不能滿足使用需求,所以漸漸被微帶結(jié)構(gòu)所代替。對于有耗的增益均衡網(wǎng)絡(luò),必然需要電阻來吸收能量來降低反射功率,一般在比較低的頻率可以采用集總電阻實現(xiàn),但到了毫米波,一方面集總電阻的體積過大,另一方面隨著頻率的增加其寄生效應(yīng)影響變大,而又無法精確的進行設(shè)計,所以限制了增益均衡器在寬帶小型化接收前端的應(yīng)用。

使用ADS與HFSS優(yōu)化仿真的設(shè)計方法,選用陶瓷基片和薄膜電阻實現(xiàn)了用于毫米波頻段的寬帶小型化增益均衡器。

1 增益均衡器基本理論與陷波單元

1.1 增益均衡器的基本原理[1]

陷波器是增益均衡器的基本組成單元,它具有一種類似“倒鐘型”的響應(yīng),由R、L和C組成的一種簡單的接地串聯(lián)回路,L、C決定了其諧振頻率,而R決定了諧振回路的Q值,即陷波器的最大衰減值及波形的寬窄,其S21為:

當(dāng)多個類似電路級聯(lián)起來時,可求出其T矩陣為:

然后由T矩陣與S矩陣的關(guān)系為:

如果每一級陷波器的輸入輸出都是匹配的,則可以證明級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的S21寫為:

寫成插入衰減的形式為:

式中,可以看成是以陷波器響應(yīng)作為基函數(shù)的某個響應(yīng)波形的級數(shù)展開。根據(jù)級數(shù)展開理論,用無數(shù)多的陷波器響應(yīng)總可以合成任意的響應(yīng)波形。因此可以設(shè)想以對地串聯(lián)諧振陷波單元為基礎(chǔ),選擇適當(dāng)?shù)闹C振頻率,Q值以及級聯(lián)數(shù)目,就可以逼近我們需要的任意均衡響應(yīng)。

1.2 利用微帶實現(xiàn)的陷波器單元及其特性

對于微波、毫米波使用的增益均衡器,需要采用分布參數(shù)電路來實現(xiàn)這種陷波器單元,根據(jù)經(jīng)典的傳輸線理論,一段終端短路或者開路傳輸線,其輸入阻抗和輸入導(dǎo)納為:

式中,一段短截線的輸入阻抗為純虛數(shù),隨著長度的變化,短截線可以表現(xiàn)為感性、并聯(lián)諧振、容性和串聯(lián)諧振等特性。實際上一段長 λ/4的終端開路線或一段長 λ/2的終端短路線都等效為一個串聯(lián)諧振回路,但這樣結(jié)構(gòu)的微帶諧振回路,損耗很小,可以看作是無耗的。圖1為加載電阻的陷波器原理電路。

圖1 2種加載電阻的陷波器模型

實際使用的陷波器要求其中要有一個電阻 R來調(diào)節(jié)諧振回路的Q值,從而調(diào)節(jié)衰減量和輸入輸出駐波。當(dāng)在上述傳輸線網(wǎng)絡(luò)中加上適當(dāng)?shù)膿p耗電阻時,就可以在中心頻率附近得到陷波器的響應(yīng)?？刂萍虞d電阻R可以控制Q值,而控制微帶短截線的長度可以控制枝節(jié)的諧振頻率,寬度可以對諧振頻率和Q值進行微調(diào),具體關(guān)系如表1所示。

表1 調(diào)節(jié)諧振單元各變量對各項指標的影響

通過以上分析可知,可以將這樣的微帶陷波器通過適當(dāng)?shù)募壜?lián)來實現(xiàn)“倒鐘型”響應(yīng)增益均衡器。

2 平面結(jié)構(gòu)增益均衡器的設(shè)計

由于均衡器本身的均衡特性具有任意性,因此其綜合方法還沒有成熟的理論支撐。目前常用的方法有網(wǎng)絡(luò)綜合法和計算機優(yōu)化法。網(wǎng)絡(luò)綜合法主要有經(jīng)典的達林頓網(wǎng)絡(luò)綜合法和主要用于寬帶匹配的實頻數(shù)據(jù)法,但這2種方法設(shè)計出來的是無耗網(wǎng)絡(luò),這與實際應(yīng)用的情況不符。通過Smith圓圖可以方便的得到有耗網(wǎng)絡(luò),但它是窄帶的對于寬帶應(yīng)用來說,它需要設(shè)計者有豐富的經(jīng)驗,并不是一個適合應(yīng)用于寬帶均衡器的方法。

直接優(yōu)化是一種設(shè)計增益均衡器的有效方法,它以微帶增益均衡器可能的電路拓撲為基礎(chǔ),通過計算機優(yōu)化方法來逼近要求的均衡響應(yīng)。它雖然對電路的限制比較多(僅能使用事先指定的某些電路形式),可能無法得到最好的電路拓撲,但它是一種快速、有效實現(xiàn)響應(yīng)目標的方法,而且需要的人工干預(yù)較少,使設(shè)計人員能夠?qū)⒕Ψ诺綄﹄娐方Y(jié)構(gòu)的創(chuàng)新上。

2.1 優(yōu)化方法的仿真設(shè)計模板

利用仿真優(yōu)化的方法實現(xiàn)增益均衡器的關(guān)鍵在于建立一種比較合理的電路模板。理論上采用增加或減少諧振器、更改元件參數(shù)等方法,可以獲得任意的響應(yīng)。但具體實現(xiàn)時,由于損耗的存在,使諧振器的Q值不可能做到很大,另外考慮到小型化的問題,也不可能采用任意多的諧振器,通常使用2～4個即可[2]。

為了使均衡器在系統(tǒng)中能夠正常工作,必須使得均衡器的回波損耗盡可能得小,所以在均衡器的輸入、輸出端還應(yīng)引入匹配電路。

綜上所述,可以得到用于優(yōu)化的微帶均衡器模板如圖2所示。電路模板分為3個部分:枝節(jié)諧振器、級間匹配和輸入輸出匹配電路。陷波單元的數(shù)目可以根據(jù)具體情況進行調(diào)整。

圖2 用于優(yōu)化設(shè)計的微帶增益均衡器模板

2.2 優(yōu)化方法的設(shè)計步驟

有了合適的陷波器單元和均衡器模板,根據(jù)設(shè)計步驟就可以很方便地設(shè)計出所需的增益均衡器,具體步驟如下:

①有理論或?qū)崪y數(shù)據(jù)得到所需要的均衡特性并選擇關(guān)鍵的均衡點;

②確定陷波單元的工作頻率并對單個陷波單元進行獨立全波仿真設(shè)計;

③根據(jù)所需特性選擇陷波單元個數(shù)并建立ADS模型;

④將初值代入ADS模型中并對整個電路進行優(yōu)化;

⑤采用HFSS進行全波仿真驗證ADS優(yōu)化結(jié)果是否滿足均衡要求;

⑥判斷,如果滿足要求即可加工制作,如不滿足要求微調(diào)模型并回到步驟②。

3 毫米波小型化增益均衡器

3.1 小型化的實現(xiàn)方法

一般的高頻介質(zhì)基片(如Duroid 5880)無法用來實現(xiàn)毫米波增益均衡器,一方面加工精度無法保證,另一方面加載電阻也難以實現(xiàn)。采用陶瓷基片及薄膜電阻是一個比較好的選擇。

薄膜電路能夠加工出的最小線寬和縫隙可達18 μ m或更小,加工精度達到 μ m量級,并且由于陶瓷基片具有比較高的介電常數(shù)εT=9.8,使得確定電尺寸的微帶線實際的物理尺寸比較小,能夠適應(yīng)小型化的需求。

薄膜電阻實際上是由電阻層(氮化坦TaN)和支持層(鈦鎢TiW)組成,標準方阻為 50 Ω每平方,可通過設(shè)計電阻的長寬得到所需的阻值為:

由于工藝原因加工出的薄膜電阻阻值可能同設(shè)計值有些差別(誤差±10%以內(nèi)),但由前面的分析可知,電阻主要是用來調(diào)節(jié)陷波器的均衡量,并且電阻值越小,能夠獲得的均衡量越大。而實際應(yīng)用中通常都需要陷波單元有比較大的均衡量,因此電阻值也就設(shè)計得比較小(通常都小于50 Ω),通過仿真發(fā)現(xiàn)相應(yīng)的誤差對于整體電路的影響可以忽略。

3.2 設(shè)計指標與ADS仿真模型

這里設(shè)計的增益均衡器主要用來補償寬帶毫米波接收前端中2級低噪聲放大器(LNA)級聯(lián)的增益不平坦性,低噪聲放大器為Mimix的XL1000-BD,單級的測試結(jié)果表明該放大器在Ka頻段增益從低頻到高頻呈線性減少,具體數(shù)據(jù)和所需的增益均衡器設(shè)計指標列表如表2所示。并要求在整個頻段內(nèi)的S11≤-10 dB。補償后增益平坦度達到±1 dB。

表2 根據(jù)實際需要選擇的增益均衡器衰減指標

通過對單個陷波單元的設(shè)計,確定由4個陷波單元級聯(lián)來達到大約20 dB的均衡量,并且考慮到實際應(yīng)用中腔體的寬度只有3.1 mm,因此為了減小均衡器的橫向尺寸采用了彎曲的諧振枝節(jié)。

3.3 全波仿真與實測結(jié)果

將由ADS優(yōu)化得到的結(jié)構(gòu)參數(shù)通過HFSS建模進行三維全波仿真的驗證,版圖如圖3所示。得到的測試結(jié)果如表3所示。

圖3 增益均衡器的版圖

表3 功率均衡器的測試結(jié)果

實測結(jié)果與設(shè)計仿真結(jié)果基本一致,并達到了設(shè)計指標要求。但是由于測試與組裝原因?qū)е聨讉€頻率點的駐波特性不好,所以均衡曲線在Ka頻帶高端有幾個傳輸?shù)奈拯c,但是增益波動并不很大,大約0.5dB。這可以通過改善測試方法來解決。

最終設(shè)計加工出的毫米波增益均衡器體積為5 mm×2.9 mm×0.254 mm,達到了小型化的要求,最大均衡量達到了20 dB,Ka全頻段S11優(yōu)于8 dB,與2級低噪聲放大器級聯(lián)后獲得了小于2 dB的增益平坦度。

4 結(jié)束語

將增益均衡器用在寬帶的毫米波接收前端當(dāng)中,用來代替衰減器改善平坦度指標。討論了增益均衡器的基本原理,基本陷波單元的構(gòu)成形式以及其特性。對增益均衡器的設(shè)計方法進行了詳細的闡述,并給出了一般的設(shè)計步驟。介紹了采用陶瓷基片與薄膜電阻相關(guān)內(nèi)容,設(shè)計出了一個Ka頻段寬帶增益均衡器,說明了設(shè)計方法的可行性與準確性。

[1]RUIMIN XU,BO YAN,MENGGUO YU,et al.Research on the Millimeter Wave Power Equalizer[M].Microwave,Antenna,Propagation and EMC Tech-nologiesfor Wireless Communications,2007:446-449.

[2]張 勇,薛 凱.高均衡量微帶寬帶功率均衡器[J].強激光與粒子束,2008(7):1148-1150.