1～6 GHz寬帶負(fù)斜率幅度均衡器的研制

鄧慶文　范童修　盧勝軍

摘 要： 幅度均衡器可矯正信號(hào)在傳輸過(guò)程中發(fā)生的畸變，在通信系統(tǒng)中具有很廣泛的應(yīng)用。使用HFSS和ADS仿真設(shè)計(jì)工具，根據(jù)均衡器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和需要均衡的信號(hào)要求，設(shè)計(jì)了一款工作頻段為1～6 GHz，均衡量為4.5 dB的負(fù)斜率幅度均衡器，測(cè)試結(jié)果表明該均衡器達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞： 幅度均衡器； ADS； HFSS； 自諧振

中圖分類號(hào)： TN715?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）15?0077?03

Development of amplitude equalizer with 1～6 GHz broadband and negative slope

DENG Qingwen， FAN Tongxiu， LU Shengjun

（No. 36 Research Institute of CETC， Jiaxing 314033， China）

Abstract： Since amplitude equalizer can correct signal distortion generated in transmitting process， which is widely applied in communication system. By using Ansoft HFSS and Agilent ADS simulation design tools， according to the demands of equalizer circuit topology and the needed equalized signals， a negative slope amplitude equalizer was designed， which works at 1～6 GHz， and its equilibrium quantity is 4.5 dB. The test results show that the equalizer can achieve design demands.

Keywords： amplitude equalizer； ADS； HFSS； self?resonance

0 引 言

工作在射頻、微波段的系統(tǒng)，在寬帶信號(hào)的傳輸與處理過(guò)程中，由于器件本身增益波動(dòng)（如寬帶放大器帶內(nèi)波動(dòng)±1 dB）等原因?qū)е孪到y(tǒng)在工作頻帶內(nèi)存在較大的增益波動(dòng)，引起幅頻特性失真，影響信號(hào)傳輸質(zhì)量。為提高信號(hào)在傳輸過(guò)程中在工作頻段內(nèi)增益的穩(wěn)定性，可在原傳輸網(wǎng)絡(luò)中引入一個(gè)均衡網(wǎng)絡(luò)，即在系統(tǒng)的前端或者末級(jí)匹配幅度均衡器以減小甚至避免信號(hào)幅度的畸變，使幅度頻率特性滿足所需的信號(hào)傳輸要求。

幅度均衡器的實(shí)現(xiàn)方式有多種，包括印制板加載RLC元件，微帶枝節(jié)線加載電阻[1?3]、波導(dǎo)、諧振腔[4?6]等形式的結(jié)構(gòu)[7?10]。由于電感的自諧振頻率較低，使RLC均衡器很難工作在較高的頻率下，因而僅限于低頻段的應(yīng)用。微帶枝節(jié)線加載電阻雖然可以工作在較高的頻率下（可達(dá)15 GHz或更高頻率），但通用性差，只有改變微帶枝節(jié)線的長(zhǎng)、寬等參數(shù)才能較好地改變均衡量和工作頻率，而不能簡(jiǎn)單地通過(guò)更換所加載的電阻值來(lái)改變均衡量和工作頻率。因此，仿真設(shè)計(jì)的工作量較大，應(yīng)用范圍受限。雖然波導(dǎo)、諧振腔均衡器[Q]值很高，插損較低，但體積較大，且工作頻段極高，實(shí)際應(yīng)用較少。本文設(shè)計(jì)了一款調(diào)試方便，工作帶寬為1～6 GHz的無(wú)源幅度均衡器，并進(jìn)行加工、測(cè)試。

1 設(shè)計(jì)與仿真

幅度均衡器是多點(diǎn)諧振網(wǎng)絡(luò)，最簡(jiǎn)單的電路為橋T型，由T型衰減器電路的輸入、輸出端增加反饋電阻演變而來(lái)。本文采用的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，電路包含電容、電阻和電感。其中[L1，][C2]和[C3]用于濾除頻率較低的信號(hào)，[C1]用于短路頻率高的信號(hào)，整個(gè)信號(hào)衰減量的大小可以通過(guò)電阻[R1，][R2，][R3]構(gòu)成的衰減網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖1 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

使用ABCD網(wǎng)絡(luò)分析法分析如圖2所示的電路，記[R1∥C2]的阻抗為[ZR1∥C2，][R2∥C3]的阻抗為[ZR2∥C3，][L1∥C1+R3]的阻抗為[ZL1∥C1+R3，]則圖1可以簡(jiǎn)化為圖2所示的電路。

根據(jù)ABCD網(wǎng)絡(luò)傳輸理論，有：

圖2 電路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

通過(guò)上面[H（w）]的表達(dá)式可以看出，該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)極為復(fù)雜，從理論上分析較困難。簡(jiǎn)單討論兩種情況，當(dāng)[w→0]時(shí)，均衡器相當(dāng)于只有[R1，][R2，][R3]組成的T型衰減器，因此，低頻端均衡量為衰減器的衰減量，由3個(gè)電阻值決定。當(dāng)[w]較高時(shí)，可通過(guò)調(diào)整[C1，][L1]的大小控制被短路的信號(hào)強(qiáng)度，調(diào)整[C2，][C3]的大小改變不同頻率點(diǎn)信號(hào)的通過(guò)量，從而實(shí)現(xiàn)幅度均衡。

由于表貼封裝的電容、電阻元件存在寄生參數(shù)，考慮印制板微帶線和電容、電阻、電感的寄生參數(shù)對(duì)幅度均衡效果的影響，電容、電阻選用0603封裝，根據(jù)焊盤的大小估算電容的寄生電感約為0.3 nH，電阻的寄生電容約為0.2 pF。選用的板材為Rogers 5880，厚度為0.508 mm，50 Ω微帶線寬度為1.5 mm。

通常繞線電感的自諧振頻率較低，對(duì)于本文需要設(shè)計(jì)的均衡器而言，電感的自諧振頻率在工作帶寬之內(nèi)。因此，使用繞線電感很難制作出工作頻率高達(dá)6 GHz的幅度均衡器，通過(guò)對(duì)圖1所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行改變，僅使用電容和電阻作為元器件，為充分考慮微帶線對(duì)均衡器性能的影響，使用HFSS建立模型進(jìn)行場(chǎng)仿真，如圖3所示。

圖3 場(chǎng)仿真結(jié)構(gòu)示意圖

經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，場(chǎng)仿真得到的各元件值為[C1=]1.8 pF，[R1=]10 Ω，[C2=]2.2 pF，[R2=]75 Ω，[C3=]100 pF，[R3=]100 Ω。將這些元件值代入ADS中進(jìn)行電路仿真，如圖4所示。場(chǎng)仿真與電路仿真結(jié)果對(duì)比如圖5所示，從圖5可以看到，兩種仿真有一定的差別，主要體現(xiàn)在ADS仿真顯示的插入損耗更大。

圖4 均衡器電路仿真圖

圖5 ADS仿真結(jié)果與HFSS仿真結(jié)果對(duì)比

2 結(jié)果與分析

根據(jù)圖3所示的電路投產(chǎn)加工，并使用圖6所示的測(cè)試夾具進(jìn)行測(cè)試。所使用的輸入輸出接頭為SMA，由于均衡器工作頻率不是太高，所選用的微帶線長(zhǎng)度很短，對(duì)外輻射的能量很弱，可以忽略不計(jì)，因此，選用非屏蔽式測(cè)試方法測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，由于電容、電阻值的寄生參數(shù)及標(biāo)稱值的不精確導(dǎo)致實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果稍有偏差。

圖6 實(shí)物加工結(jié)果與測(cè)試夾具

使用羅德與施瓦茨矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀作為均衡器[S]參數(shù)測(cè)試儀器，結(jié)果如圖7所示。

圖7 均衡器實(shí)測(cè)結(jié)果

從圖7可以看出，均衡器具有負(fù)斜率特性，均衡量為4.5 dB左右，駐波為1.65。濾波器實(shí)測(cè)結(jié)果與HFSS，ADS仿真結(jié)果對(duì)比如表1所示。均衡器的實(shí)測(cè)插損比場(chǎng)仿真結(jié)果大，主要原因是電容的[Q]值不夠高，SMA與微帶線連接焊點(diǎn)處的不連續(xù)性等原因?qū)е虏鍝p和駐波偏大。另外，由于電阻、電容的標(biāo)稱值與實(shí)際值存在一定的偏差（5%～20%），致使實(shí)測(cè)均衡值與仿真值有一定的差別?？傮w上，仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果較為吻合。

表1 幅度均衡器實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比

[項(xiàng)目＼&IL /dB＼&1 GHz /dB＼&3.5 GHz /dB＼&6 GHz /dB＼&VSWR＼&HFSS＼&2.1＼&-6.0＼&-3.1＼&-2.1＼&1.33＼&ADS＼&2.6＼&-6.3＼&-3.4＼&-2.6＼&1.31＼&實(shí)測(cè)＼&2.6＼&-7＼&-5＼&-2.6＼&1.675＼&]

3 結(jié) 論

根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果可以看到，由于沒(méi)有使用表貼電感和繞線電感，避免了電感的自諧振，因此，本文研制的幅度均衡器的工作頻帶寬可達(dá)6 GHz，相對(duì)帶寬達(dá)200%。

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