一種緊湊微帶增益均衡器的仿真和設(shè)計(jì)

李　光

(中國西南電子技術(shù)研究所，　成都 610036)

?

一種緊湊微帶增益均衡器的仿真和設(shè)計(jì)

李光

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

為補(bǔ)償寬帶收發(fā)前端幅頻響應(yīng)不平坦的缺點(diǎn)，基于薄膜工藝，設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)緊湊的微帶增益均衡器。設(shè)計(jì)中綜合考慮了幅頻響應(yīng)均衡要求及阻抗匹配等因素，在薄膜電阻(加載在諧振枝節(jié)上的吸收結(jié)構(gòu))與主傳輸線之間增設(shè)了高阻微帶線，以減小對(duì)阻抗匹配的惡化。為了便于小型化集成，高阻微帶線彎曲成S形，開路微帶枝節(jié)彎曲成U形，均衡器垂直主線方向的長度僅為原來的44%。實(shí)物測(cè)試在24.6GHz～26.7GHz頻帶內(nèi)，回波損耗小于-17.4dB，均衡量約為-6dB，與仿真結(jié)果相符度良好，證明此設(shè)計(jì)方法可靠實(shí)用。

均衡器；薄膜；緊湊；幅度均衡

0　引　言

微波固態(tài)電路具有效率高、工作電壓低、性能穩(wěn)定、壽命長、可靠性高、體積小、重量輕便于集成等多種突出優(yōu)點(diǎn)，在衛(wèi)星通信、相控陣?yán)走_(dá)、電子對(duì)抗和其他要求小型化的彈載和機(jī)載應(yīng)用系統(tǒng)中展現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用前景[1-2]。在寬帶收發(fā)前端設(shè)計(jì)中，特別是總增益較高的發(fā)射前端中需要集成多級(jí)放大器、混頻器和濾波器等器件。由于在工作頻帶內(nèi)可選器件增益存在差異的固有特性和加工工藝的局限性，多級(jí)累加后，往往造成整個(gè)前端在工作頻帶內(nèi)增益波動(dòng)過大，不能滿足帶內(nèi)增益平坦度的要求，給應(yīng)用帶來諸多不便。在寬帶收發(fā)前端中添加合適的增益均衡器可以有效地解決該問題。增益均衡器提供一個(gè)與原寬帶收發(fā)前端特性相反的衰減曲線，以補(bǔ)償其本身波動(dòng)的幅頻響應(yīng)，綜合得到較平坦的帶內(nèi)增益[3-4]。

本文根據(jù)寬帶收發(fā)前端(無均衡器)實(shí)際頻響曲線及增益平坦度指標(biāo)要求，應(yīng)用ADS和HFSS進(jìn)行仿真優(yōu)化，設(shè)計(jì)了一薄膜電阻加載的微帶諧振枝節(jié)組成的均衡器。

1　均衡器理論

增益均衡器主要有集總參數(shù)型、同軸型、波導(dǎo)型、集成傳輸線型四種。集總參數(shù)型受元器件的寄生參數(shù)的影響，一般只能用于低頻段；同軸型和波導(dǎo)型適用于大功率高頻段的應(yīng)用，但質(zhì)量和體積較大，不利于系統(tǒng)集成；集成傳輸線型均衡器以體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單、加工方便和成本低得到廣泛應(yīng)用，其多以適用于寬帶均衡網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的電阻加載微帶枝節(jié)型均衡器為主[5-7]

圖1　諧振單元及等效電路模型

增益均衡器的諧振單元由開路微帶線及薄膜電阻構(gòu)成，如圖1a)所示，而微帶線的傳輸模式為準(zhǔn)TEM模，所以可以用傳輸線理論來分析。單一枝節(jié)的加載薄膜電阻的開路短截線可以等效為RLC(電阻、電感、電容)串聯(lián)諧振回路[8]，如圖1b)所示。依據(jù)微波網(wǎng)絡(luò)理論[9]，該等效電路的傳輸系數(shù)為

(1)

幅頻響應(yīng)曲線如圖2所示，可見諧振單元本質(zhì)上就是陷波器，調(diào)整L或C的元件參數(shù)可調(diào)節(jié)其諧振中心頻率，調(diào)整R的元件參數(shù)可以改變陷波器的Q值，從而調(diào)整最大衰減及帶寬。

圖2　幅頻響應(yīng)

當(dāng)輸入輸出匹配的多級(jí)諧振單元級(jí)聯(lián)起來，網(wǎng)絡(luò)的綜合幅頻響應(yīng)為

(2)

根據(jù)級(jí)數(shù)理論上，可以用不限個(gè)數(shù)的陷波器來擬合任意的相對(duì)響應(yīng)波形(不計(jì)絕對(duì)插損值)[10]。

2　均衡器仿真與優(yōu)化

因?yàn)楣ぷ黝l帶位于選用器件的工作頻帶的下邊沿，寬帶收發(fā)前端實(shí)際幅頻響應(yīng)低端增益低，高端增益高。在24.6GHz～26.7GHz頻帶內(nèi)，增益差值約為5dB。

基片介電常數(shù)較大，可相對(duì)縮短微帶線的長度。為便于集成，縮小電路尺寸，選用了相對(duì)介電常數(shù)為9.7、厚度為0.254mm的氧化鋁介質(zhì)作為基片。選用了對(duì)稱雙枝節(jié)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，雙枝節(jié)之間的主傳輸線電長度約為半波長。如圖3所示，在仿真軟件ADS進(jìn)行原理圖建模，以頻帶內(nèi)均衡要求及輸入輸出駐波特性作為目標(biāo)，以雙枝節(jié)間的主傳輸線寬度、長度、薄膜電阻與主線之間高阻線的長度、薄膜電阻之后的開路線長度為主要優(yōu)化變量，應(yīng)用ADS內(nèi)置工具進(jìn)行優(yōu)化，初步確定電路各部分結(jié)構(gòu)的尺寸初值。

圖3　ADS原理圖模型

薄膜電阻直接加載在主傳輸線上，會(huì)使得電路的駐波特性變差，不僅惡化了輸入輸出匹配特性，也引入了較大的高端插損。設(shè)計(jì)中考慮了幅頻響應(yīng)均衡目標(biāo)及阻抗匹配等要求，在薄膜電阻與主傳輸線之間增設(shè)了高阻線。增益均衡器的外形長寬比越接近1，且所占面積越小，對(duì)小型化集成及組裝可靠性越有利。但當(dāng)微帶線之間的縫隙過小時(shí)，線間耦合會(huì)影響均衡器性能，加大了設(shè)計(jì)難度及均衡器的加工精度要求。綜合上述因素，本文對(duì)作為陷波單元的枝節(jié)諧振器進(jìn)行了適當(dāng)彎曲。

優(yōu)化結(jié)果如圖4所示，其中，實(shí)線為插損曲線，以左側(cè)的縱軸坐標(biāo)；虛線為回波損耗曲線，應(yīng)用右側(cè)的縱軸坐標(biāo)(后續(xù)結(jié)果圖示也為此格式)。回波損耗優(yōu)于-18dB，均衡量約為4.2dB。

圖4　優(yōu)化結(jié)果

ADS原理圖仿真未充分考慮微帶傳輸線間的耦合影響，當(dāng)傳輸線之間的間距較小時(shí)，其仿真結(jié)果可能與實(shí)際情況有很大的差別。因此，將原理圖轉(zhuǎn)化為電路版圖，如圖5所示。設(shè)置好基片參數(shù)(厚度、介電常數(shù)等)、薄膜電阻參數(shù)及仿真參數(shù)，進(jìn)行momentum仿真，根據(jù)仿真結(jié)果及設(shè)計(jì)目標(biāo)對(duì)各個(gè)尺寸進(jìn)行微調(diào)迭代。枝節(jié)的長度主要影響諧振頻率，越短諧振頻率越高。枝節(jié)寬度主要影響Q值和諧振頻率，越寬則Q值越大，諧振頻率往低端偏移，插損增大；薄膜電阻的長度影響與枝節(jié)長度影響基本相同，而阻值主要影響均衡器的Q值，阻值越大，Q值越大。經(jīng)過若干次迭代仿真，得到如圖6所示的均衡曲線及回波損耗。均衡量約為-4.1dB，回波損耗小于-20dB。

圖5　momentum仿真模型

圖6　momentum仿真結(jié)果

Momentum仿真是2.5維的仿真，其速度較三維場(chǎng)仿真要快，但精度稍差。為保證設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性，投圖加工前在三維場(chǎng)仿真軟件HFSS中進(jìn)行參數(shù)化建模仿真進(jìn)行驗(yàn)證。模型如圖7所示，仿真結(jié)果如圖8所示，帶內(nèi)回波損耗小于-20dB，與momentum仿真結(jié)果基本相同，而均衡量為-5.2dB，比momentum仿真結(jié)果大了1dB。

圖8　HFSS仿真結(jié)果

如圖9a)所示，本文中將高阻微帶線彎曲成S形，薄膜電阻之后的開路微帶線彎曲成U形。圖9b)為不彎曲狀態(tài)的均衡器，與之對(duì)比，均衡器的垂直于主線方向的長度僅為原來的44%，長寬比由2.3優(yōu)化為了1.0。

圖9　外形對(duì)比(mm)

3　實(shí)物測(cè)試

投圖加工后，均衡器在顯微鏡下的放大照片實(shí)物如圖10所示，其尺寸為2.9mm× 3.7mm。將均衡器裝配到測(cè)試載臺(tái)上后用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試裝夾如圖11所示，實(shí)測(cè)結(jié)果如圖12所示。在工作頻帶內(nèi)，回波損耗小于-17.4dB，均衡量約為-6dB，比HFSS仿真結(jié)果大了1dB，插損值大了約1.6dB?？鄢郎y(cè)試臺(tái)及測(cè)試轉(zhuǎn)接件的損耗，插損與仿真結(jié)果基本相符。而回波損耗和均衡量的差別主要是因?yàn)椋?)測(cè)試臺(tái)匹配有限，帶來測(cè)量誤差；2)電路加工精度影響。均衡器實(shí)測(cè)結(jié)果已滿足工程實(shí)際需要，裝配在寬帶收發(fā)前端內(nèi)部之后，其幅頻響應(yīng)帶內(nèi)波動(dòng)特性明顯改善。

圖10　顯微鏡下放大均衡器照片

圖11　均衡器測(cè)試

4　結(jié)束語

本文基于薄膜工藝，設(shè)計(jì)制造了一種結(jié)構(gòu)緊湊的微帶增益均衡器。設(shè)計(jì)中綜合考慮了幅頻響應(yīng)均衡要求及阻抗匹配等因素，在薄膜電阻(加載在諧振枝節(jié)上的吸收結(jié)構(gòu))與主傳輸線之間增設(shè)了高阻微帶線，以減小對(duì)阻抗匹配的惡化。高阻微帶線彎曲成S形，薄膜電阻之后的開路微帶線彎曲成U形，本文中的均衡器諧振枝節(jié)長度僅為不彎曲狀態(tài)的44%，長寬比由2.3優(yōu)化為1.0，使得結(jié)構(gòu)更為緊湊，更便于小型化集成。均衡器實(shí)物測(cè)試結(jié)果在24.6GHz～26.7GHz頻帶內(nèi)，回波損耗小于-17.4dB，均衡量約為-6dB，與仿真結(jié)果相符度良好，證明了此設(shè)計(jì)方法可靠實(shí)用。

[1]甘體國. 毫米波工程[M]. 成都：電子科技大學(xué)出版社，2006.

GANTiguo.Millimeterwaveengineering[M].Chengdu：PressofUniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina，2006.

[2]徐銳敏，陳志凱，趙偉. 微波集成電路的發(fā)展趨勢(shì)[J]. 微波學(xué)報(bào), 2013, 29(5/6): 55-60.

XURuimin,CHENZhikai,ZHAOWei.Developmenttrendofmicrowaveintegratedcircuits[J].JournalofMicrowaves, 2013,29(5/6): 55-60.

[3]王國棟，華偉. 一種寬帶小型化微波增益均衡器設(shè)計(jì)[J]. 四川大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2014, 51(4): 764-768.

WANGGuodong,HUAWei.Designofacompactbroadbandmicrowavegainequalizer[J].JournalofSichuanUniversity(NaturalScienceEdition), 2014, 51(4): 764-768.

[4]趙大千，王麗. 一種用于MPM的新型增益均衡器設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代雷達(dá), 2014, 36(2): 63-66.

ZHAODaqian，WANGLi.AnewdesignofmicrostripgainequalizerusedinMPM[J].ModernRadar, 2014, 36(2): 63-66.

[5]李建，李勇利，肖燈軍.X波段寬帶低差損功率均衡器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 現(xiàn)代雷達(dá), 2011, 33(3): 67-69.

LIJian，LIYongli，XIAODengjun.DesignandrealizationofXbandbroadbandequalizerwithlowinsertionloss[J].ModernRadar, 2011, 33(3): 67-69.

[6]陳志宏，王抗旱. 采用幅度均衡器的寬帶毫米波低噪聲放大器[J]. 半導(dǎo)體技術(shù), 2012, 37(5): 395-398.

CHENZhihong，WANGKanghan.Broadbandmillimeter-waveLNAwithamplitudeequalizer[J].SemiconductorTechnology, 2012, 37(5): 395-398.

[7]劉亞男，何慶國，郝金中，等. 6～18GHz超寬帶微帶均衡器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 半導(dǎo)體技術(shù), 2010, 35(1): 23-26.LIUYanan,HEQingguo,HAOJinzhong,etal.Designandimplementationof6～18GHzsuper-broadbandmicrostripequalizer[J].SemiconductorTechnology, 2010, 35(1): 23-26.

[8]ZHANGYong,YUMengguo,YANBo,etal.Researchonthemillimeterwavepowerequalizer[C]//IEEEInternationalSymposiumonMicrowave,Antenna,Propagation,andEMCTechnologiesforWirelessCommunications. [S.l.]:IEEEPress, 2007：446-449.

[9]INDERJB.FundamentalsofRFmicrowavetransistoramplifiers[M].NowYork:JohnWiley&Sons，2009.

[10]張勇, 薛凱. 高均衡量微帶寬帶功率均衡器[J]. 強(qiáng)激光與粒子束, 2008, 20(7): 1147-1150.

ZHANGYong,XUEKai.Microstrippowerequalizerwithgreatequalrange[J].HighPowerLaserandParticleBeams, 2008, 20(7): 1147-1150.

李光男，1981年生，碩士，工程師。研究方向?yàn)槲⒉?毫米波信道技術(shù)。

SimulationandDesignofCompactPlanarGainEqualizer

LIGuang

(SouthwestChinaInstituteofElectronicTechnology,Chengdu610036,China)

Acompactmicrostripgainequalizerisproposedforcompensatingtheunacceptableflatnessofbroadbandtransceiver,whichisbasedonthinfilmtechnology.Theinfluenceofequalizingfactorandimpedancematchingarealsotakenintoaccount.Highresistancemicrostriplineisaddedbetweenfilmresistor(loadedinresonatorsasabsorber)andmainmicrostriplinetominimizetheimpedancematchingdeterioration.Inordertomakethecircuitcompactandminiaturizedeasily,highresistancemicrostriplineisbentintoSformandopenmicrostripstubisbentintoUform.Thelenghthperpendiculartomainlineisonly44%ofthestraightoriginal.Theexperimentalresultsshowthattheequalizermeasuredachievedagainequalizingfactorover-6dBandareturnloss-17.4dBin24.6GHz～26.7GHz,whichisconsistentwithsimulationresults.It′sprovedthatthemethodisreliableandpractical.

equalizer;thinfilm;compact;amplitudeequalization

李光Email：plumray@163.com

2016-01-15

2016-03-18

TN715

A

1004-7859(2016)06-0059-04

·天饋伺系統(tǒng)·DOI：10.16592/j.cnki.1004-7859.2016.06.014