微帶功率均衡器設(shè)計研究?

(解放軍信息工程大學信息系統(tǒng)工程學院,河南鄭州450001)

0 引言

隨著微波接收技術(shù)在軍事、航天及民用等領(lǐng)域的廣泛應用,其發(fā)展呈寬帶化的特點。為了保證接收系統(tǒng)在工作帶寬內(nèi)低噪聲、大動態(tài)范圍及高靈敏度的特性,接收通道由限幅保護、低噪聲放大器和多級功率放大器等模塊組成[1]。由于放大器模塊的幅頻特性不理想,導致在工作頻帶內(nèi),接收信號功率會隨頻率升高而遞減,即呈現(xiàn)出低頻增益大、高頻增益小的趨勢。這容易導致接收信號,特別是寬帶信號譜失真,并且會影響接收系統(tǒng)對動態(tài)范圍及靈敏度的設(shè)計[2]。因此,功率均衡器在微波接收系統(tǒng)中必不可少,它可以提供一個與系統(tǒng)幅頻響應對應的衰減曲線,以補償工作頻帶內(nèi)的不理想幅頻特性[3]。

由于在接收系統(tǒng)中,幅頻響應的不平坦性主要表現(xiàn)為多級放大器級聯(lián)使上下邊頻增益不一致。因此,針對適用于此種條件的功率均衡器,其設(shè)計要求有以下三點:

1)在工作帶寬內(nèi)有滿足期望要求的均衡量。

2)保證均衡器與前后級電路的匹配,即輸入輸出駐波足夠小。

3)由于均衡目標的特殊性,保證均衡器高頻端插損足夠小。

針對低噪聲放大器及功率放大器的增益不平坦問題,文獻[4]設(shè)計了一種用于低噪聲放大器后端的微帶增益均衡器。文獻[5]在接收前端加入均衡器,在6～18 GHz內(nèi)實現(xiàn)了約7 d B的均衡量。為了保證在工作頻帶內(nèi)均衡網(wǎng)絡對前后級電路的匹配,文獻[6]對微帶低駐波均衡器設(shè)計展開研究并制作了工作于3.2～3.4 GHz,駐波低于1.18的均衡器。除此之外,文獻[7-10]也對如何保證放大器工作在理想幅頻特性展開了研究。

由于均衡器針對不同均衡目標的任意性,因此還沒有一套成熟的綜合方法。本文通過對微帶諧振枝節(jié)的理論與仿真分析,提出了一種用于補償遞減增益的微帶功率均衡器設(shè)計方法,并在充分考慮工程需求及工藝實現(xiàn)難度的條件下,運用此方法設(shè)計了一種L波段小型化功率均衡器。通過測試證明,該均衡器滿足系統(tǒng)對均衡量、駐波及小型化的要求。

1 理論分析

諧振網(wǎng)絡是功率均衡器的基本組成單元。典型的諧振網(wǎng)絡是由R,L,C組成的串聯(lián)接地諧振電路,結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。

對于諧振網(wǎng)絡有

式中,L與C共同決定網(wǎng)絡的諧振頻率,R決定諧振網(wǎng)絡的Q值,即網(wǎng)絡的最大衰減及諧振帶寬。均衡器就是由N個諧振單元及單元之間的匹配電路級聯(lián)組成的,如圖1(b)所示。當多個諧振網(wǎng)絡輸入輸出互相匹配時,級聯(lián)網(wǎng)絡的增益由每級增益決定:

將式(2)改寫為插入損耗形式,級聯(lián)插損為各級損耗的累加和:

通過以上分析可以看出,采用R,L,C諧振網(wǎng)絡級聯(lián)形式可以實現(xiàn)任意期望的幅頻響應。但隨著諧振頻率的升高,電感值和電容值越來越小,體積也越來越小,導致電感與電容制作難度大、機械強度差、易擊穿;除此之外,頻率升高也會增加輻射損耗、導體損耗及介質(zhì)損耗,這導致諧振回路品質(zhì)因素降低。因此,對于微波頻段使用的增益均衡器,需要采用分布參數(shù)電路實現(xiàn)諧振網(wǎng)絡。

由傳輸線理論可知,一段終端短路或開路的無耗傳輸線輸入阻抗為

圖1 諧振網(wǎng)絡示意圖

式中,β=2π/λ為傳播常數(shù),l為傳輸線長度。通過上式可以看出,終端短路或開路的無耗傳輸線隨線長的變化,可呈現(xiàn)出容性、串聯(lián)諧振、感性、并聯(lián)諧振特性。因此,采用一段微帶短截線并加入電阻調(diào)整Q值即可實現(xiàn)R,L,C諧振網(wǎng)絡的功能。由于終端短路的傳輸線在接地端會有高頻分布參數(shù)影響,并且開路傳輸線更方便調(diào)整線長,因此本文采用電阻加載λ/4開路微帶諧振器級聯(lián)形式實現(xiàn)均衡功能。下面,對文中采用的諧振網(wǎng)絡進行建模仿真分析。

本文將加載電阻置于諧振枝節(jié)的耦合端,諧振結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電阻加載微帶諧振單元結(jié)構(gòu)

當諧振枝節(jié)加載電阻后,等同于傳輸線上并聯(lián)一個阻抗Zp,阻值為

式中,r為加載電阻R對主傳輸線的歸一化阻抗。下面,對圖2所示電路仿真分析,通過改變電阻值R、諧振枝節(jié)的長度l與寬度W觀察網(wǎng)絡的輸出特性。

圖3給出了單枝節(jié)諧振網(wǎng)絡的仿真結(jié)果?？梢钥闯?調(diào)節(jié)加載電阻R可以改變諧振網(wǎng)絡的Q值,調(diào)節(jié)枝節(jié)長度l可以改變諧振點,調(diào)節(jié)枝節(jié)寬度W可以對諧振點、Q值及衰減曲線進行微調(diào)。圖3(a)也可以證明,當加載電阻R1,R2,R3分別為5,15和25Ω時,其對應的最大衰減量與式(7)結(jié)果基本一致。

單枝節(jié)諧振網(wǎng)絡僅在最小衰減量處具有低的駐波,而在其他頻點處的駐波將迅速增大,因此,單枝節(jié)均衡器無法在帶寬、駐波及傳輸系數(shù)上同時滿足要求。為了使均衡器在系統(tǒng)中能夠正常工作,需要將該網(wǎng)絡與輸入輸出端口進行匹配設(shè)計。此外,各諧振枝節(jié)間也需匹配設(shè)計。因此,微帶均衡器由三部分組成:諧振枝節(jié)、枝節(jié)間匹配電路、輸入輸出匹配電路。

由于在微波接收系統(tǒng)中,均衡器僅作為一個模塊集成在混合微波集成電路(HMIC)或單片微波集成電路(M MIC)中。所以,在均衡器設(shè)計過程中,網(wǎng)絡的小型化也應被重點考慮。一般的微帶諧振枝節(jié)長度為λe/4,λe稱為相波長,表示如下:

式中,εe為介質(zhì)基板有效介電常數(shù),εr為介質(zhì)介電常數(shù),q為有效填充因子,h為基板厚度,w為微帶線寬度。當諧振網(wǎng)絡應用于Ka、Ku頻段時,其枝節(jié)長度在可接受范圍內(nèi),但當設(shè)計一種L、S等相對較低頻段的均衡器時,諧振枝節(jié)長度最長可達100 mm。除此之外,由于多采用λ/4阻抗變化器或枝節(jié)匹配器實現(xiàn)匹配電路的設(shè)計,也需使用較長的傳輸線,這會導致該頻段的均衡器尺寸過大。

因此,本文為了實現(xiàn)均衡器的小型化設(shè)計,通過理論分析與計算機優(yōu)化,將諧振枝節(jié)與枝節(jié)間的匹配電路作為整體進行優(yōu)化,使該網(wǎng)絡對輸入輸出端口在工作頻帶內(nèi)匹配;此外,為了進一步節(jié)省空間,將諧振枝節(jié)通過彎折處理使空間利用率更高,結(jié)構(gòu)更緊湊。

圖3 枝節(jié)變化對諧振網(wǎng)絡的影響

2 功率均衡器的仿真設(shè)計

為了補償多級放大器帶內(nèi)增益不一致性,需要采用補償曲線為近似單調(diào)遞增的功率均衡器。因此,這種均衡器除了要保證必要的均衡量及駐波外,還應有足夠低的插入損耗,即在高頻端的衰減足夠小。通過前文分析,當微帶枝節(jié)并聯(lián)諧振時,在該頻點處衰減量最少,此處為幅頻特性曲線的最大值。因此,通過高端頻率值確定諧振枝節(jié)長度可以有效保證均衡器的低插損。例如,若均衡器高頻端頻點為fh,則在該頻點處,諧振枝節(jié)電長度應為π,微帶線長度約為

不同于行波管放大器需要在大工作帶寬內(nèi)補償非線性增益波動,本文中用于微波接收系統(tǒng)的均衡器僅需補償近似線性的幅頻曲線,因此,采用對稱結(jié)構(gòu)基本可以滿足要求,并且僅需考慮一個端口的駐波問題。

下面,將理論分析與計算機優(yōu)化相結(jié)合,提出一種用于補償遞減增益功率均衡器的設(shè)計方法。

1)理論分析設(shè)置優(yōu)化初值。

① 為了保證均衡網(wǎng)絡插損最低,運用最高頻點值及式(9)確定微帶枝節(jié)長度,也可以通過傳輸線長度計算工具,計算在最高頻帶處180°電長度的微帶枝節(jié)長度。

②通過式(7)得到目標均衡量所需的單枝節(jié)諧振網(wǎng)絡加載電阻值,并根據(jù)所需的均衡量及均衡帶寬(即Q值),確定所需枝節(jié)個數(shù),一般為2～4個。

③ 通過最大衰減處的頻率確定枝節(jié)之間微帶連接線長。

2)運用電磁仿真軟件對均衡網(wǎng)絡仿真優(yōu)化。由于實測值會較仿真結(jié)果有一定惡化,因此對優(yōu)化目標設(shè)置留有一定余量。

3)將均衡器進行小型化、緊湊化設(shè)計。

在步驟1)中,可以采用理論分析與仿真相結(jié)合方式確定所需的枝節(jié)數(shù)及加載電阻值,由于需要尋找在工作頻帶內(nèi)最優(yōu)的枝節(jié)之間匹配電路,因此,枝節(jié)之間微帶線的長與寬主要通過計算機優(yōu)化確定;在步驟2)中,盡可能將工程中需要面臨的問題考慮在內(nèi),如加載電阻焊盤大小對諧振枝節(jié)的影響等;在步驟3)中,小型化的前提是要保證每條微帶線曲折處理后的傳輸與駐波特性以及電長度與未經(jīng)處理是一致的,因此要避免線間耦合及微帶線阻抗不一致性帶來的負面影響。

下面,針對工程需求,設(shè)計一種L頻段的功率均衡器,其具體性能要求如表1所示。

表1 功率均衡器性能要求

由于采用介質(zhì)厚度薄的基板可以減少微帶線的輻射損耗,因此本文采用0.254 mm厚的FR-4介質(zhì),其介電常數(shù)εr=4.2,損耗角正切tanδ=0.02,敷銅厚度0.035 mm。由于介質(zhì)層較薄,50Ω阻抗微帶線寬度僅為0.5 mm左右,而貼片電阻及測試端口的焊盤寬度均大于微帶線寬度,因此仿真中需考慮焊盤與微帶線之間的過渡轉(zhuǎn)換,防止駐波過大。

經(jīng)理論分析與計算機優(yōu)化后,得到的均衡器結(jié)構(gòu)如圖4(a)所示。仿真中使用的電阻為0402封裝的陶瓷疊層厚膜貼片電阻,測試端口為SMA插口。其仿真結(jié)果如圖4(b)所示。

為了防止制作時會降低均衡量,仿真中將均衡量設(shè)置為6.5 d B,通過圖4(b)看出,仿真結(jié)果基本滿足要求。但由于頻率相對較低,微帶枝節(jié)占用空間太大,總面積約為80 mm×65 mm,空間利用率極低。因此,將微帶線彎折處理以實現(xiàn)空間充分利用。由于切角方式會使微帶線阻抗不連續(xù)導致在切角處產(chǎn)生寄生電容,所以可以采用圓弧彎折的方法。通過計算機仿真發(fā)現(xiàn),若將微帶線彎折為同等長度的蛇形微帶線,后者的電長度將比前者稍短,這是由于在圓弧處,電流會靠近內(nèi)側(cè)傳輸,因此,應該適當延長蛇形微帶線的長度。除此之外,為了防止工程制作中出現(xiàn)翹曲度過大問題,在距離微帶線1 mm外的布板空間敷銅并加入接地過孔。經(jīng)過小型化處理后的L頻段均衡器PCB結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示,仿真結(jié)果如圖5(b)所示。仿真結(jié)果證明,與沒有經(jīng)過小型化處理的結(jié)果基本無差異,滿足工程需求。

圖4 未小型化處理均衡器結(jié)構(gòu)及仿真結(jié)果

圖5 小型化均衡器PCB結(jié)構(gòu)及仿真結(jié)果

3 測試結(jié)果與分析

根據(jù)上述仿真結(jié)果設(shè)計制作了一種L頻段小型化功率均衡器,體積為39.54 mm×27.56 mm× 0.9 mm。其實物如圖6所示。經(jīng)過矢量網(wǎng)絡分析儀測試后的結(jié)果如圖7所示。

圖6 L頻段小型化功率均衡器實物圖

將測試結(jié)果與仿真結(jié)果圖5(b)對比可以看出:駐波相對仿真結(jié)果有一定惡化,這主要是由于“SMA微帶線”轉(zhuǎn)接造成;均衡曲線高端插損較仿真結(jié)果有約0.3 dB的下降,低端衰減有約0.4 dB的上升,這主要是由于貼片電阻的分布參數(shù)影響及加工精度有限所致。由于在仿真中已將均衡量的優(yōu)化目標擴大到6.5 d B,因此,測試證明,所設(shè)計的均衡器在工作頻帶內(nèi),最大反射損耗不超過-14 dB,均衡量5.7 d B,高端插損不超過-1.3 dB,相位一致性良好,滿足工程中對均衡器的設(shè)計要求。

4 結(jié)束語

本文提出了一種用于補償工作頻帶內(nèi)遞減增益均衡器的設(shè)計方法,該方法運用理論分析設(shè)置初值;運用計算機優(yōu)化確定均衡器結(jié)構(gòu);通過微帶蛇形線結(jié)構(gòu)實現(xiàn)小型化需求。并運用此方法,設(shè)計了一種L頻段小型化功率均衡器。實測結(jié)果證明該均衡器在工作頻帶內(nèi)均衡量5.7 d B,反射損耗不超過-14 dB,高端插損低于-1.3 dB,滿足微波接收系統(tǒng)需求。本文均衡器設(shè)計方法對微波接收系統(tǒng)中均衡器的設(shè)計有一定指導意義。

圖7 均衡器測試結(jié)果

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