一種用于射頻電路優(yōu)化的腔體可調(diào)蓋板

張忠輝 南京恒電電子有限公司

一種用于射頻電路優(yōu)化的腔體可調(diào)蓋板

張忠輝 南京恒電電子有限公司

金屬蓋板可以用于電磁屏蔽作用，但是在應(yīng)用過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致射頻電路在原本匹配完善的情況下出現(xiàn)受腔體效應(yīng)影響出現(xiàn)性能惡化。針對(duì)這一狀況，腔體可調(diào)蓋板應(yīng)運(yùn)而生。以相關(guān)文獻(xiàn)作為參考，對(duì)電路中最受腔體效應(yīng)影響的位置進(jìn)行計(jì)算，在該位置進(jìn)行經(jīng)優(yōu)化后的調(diào)諧螺釘?shù)陌惭b。改變腔體效應(yīng)影響的方法就是對(duì)介質(zhì)板和調(diào)諧螺釘間的縫隙進(jìn)行調(diào)整。在提高功放穩(wěn)定性系數(shù)方面可以通過(guò)對(duì)腔體的諧振頻率進(jìn)行改變實(shí)現(xiàn)。而在環(huán)形器電路中則對(duì)敏感電路的匹配度進(jìn)行改善來(lái)提高其射頻性能。在批量生產(chǎn)微波組件時(shí)可調(diào)蓋板的調(diào)整可以校正不同批次元器件間的性能差異，使調(diào)試儀器的工作量降低，產(chǎn)品更可靠。

腔體 可調(diào)蓋板 螺釘 諧振頻率

在射頻電路的實(shí)際應(yīng)用中金屬蓋板是否合適決定了產(chǎn)品性能的優(yōu)劣。理論上對(duì)電路不產(chǎn)生影響的指標(biāo)是腔體尺寸要明顯小于波長(zhǎng)的四分之一，但是對(duì)于射頻電路是不可能實(shí)現(xiàn)的，盡管對(duì)蓋板的調(diào)整可以改善腔體的影響，然而在長(zhǎng)期生產(chǎn)過(guò)程里的批次差異會(huì)發(fā)生失配現(xiàn)象。為了解決上述問(wèn)題，以腔體濾波器作為參考，出現(xiàn)了腔體可調(diào)蓋板來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目的，在設(shè)計(jì)可調(diào)蓋板時(shí)采用MEMS工藝[1]可以提高產(chǎn)品性能，但有成本高和控制復(fù)雜的缺點(diǎn)。

1 可調(diào)蓋板的設(shè)計(jì)

1.1 腔體分析

針對(duì)腔體電磁場(chǎng)分布情況進(jìn)行理論推導(dǎo)以及具體分析，根據(jù)得到的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)一些特定位置在蓋板上排列組合可以得到影響腔體諧振最明顯的組合情況，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行腔體效應(yīng)的控制和調(diào)整是可以實(shí)現(xiàn)的。

1.2 調(diào)諧螺釘?shù)脑O(shè)計(jì)

調(diào)諧螺釘?shù)陌惭b位置可以位于金屬蓋板上相對(duì)敏感的地方[2]，調(diào)整電路板和螺釘之間的縫隙，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)諧螺釘?shù)母兄岛腿葜档恼{(diào)整。底板和調(diào)諧螺釘之間產(chǎn)生的縫隙越小就可以產(chǎn)生越大的等效電容；相反底板和調(diào)諧螺釘之間產(chǎn)生的縫隙越大就可以產(chǎn)生更小的等效電容。腔體濾波器相對(duì)較成熟的調(diào)諧螺釘設(shè)計(jì)工藝可以為調(diào)諧螺釘?shù)脑O(shè)計(jì)作為參考。

為了既不影響同樣在介質(zhì)板上的其他一些元器件有能夠達(dá)到提高對(duì)腔體影響作用的目的，可以將螺釘?shù)拿娣e進(jìn)行部分增大的操作。使用HFSS仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn)調(diào)諧螺釘對(duì)電路的影響作用明顯增加。

2 電路驗(yàn)證

2.1 腔體可調(diào)蓋板在PA的驗(yàn)證

雷達(dá)以及無(wú)線通訊系統(tǒng)的核心部件就是所謂的PA。用來(lái)評(píng)價(jià)PA的主要指標(biāo)既包括效率、增益、帶寬以及工作頻率，也包括三階交截點(diǎn)功率、領(lǐng)道泄漏比（ACPR）和峰均比（PAR）等。滿(mǎn)足上述指標(biāo)的基本條件就是功放的穩(wěn)定。

晶體管的S參數(shù)決定了功放的穩(wěn)定性。在一定的頻率范圍內(nèi)，穩(wěn)定系數(shù)（Stab-fact）大于1是滿(mǎn)足絕對(duì)穩(wěn)定的前提條件。當(dāng)頻率值小于2．3GHz的時(shí)候，得到的穩(wěn)定性系數(shù)＜1，這個(gè)結(jié)果說(shuō)明在這個(gè)頻率區(qū)間內(nèi)功放可能出現(xiàn)自激現(xiàn)象。

2.2 腔體可調(diào)蓋板對(duì)環(huán)形器電路的驗(yàn)證

環(huán)形器在TD系統(tǒng)中被廣泛使用，被作為重要器件用于收發(fā)隔離。如圖1所示，射頻信號(hào)是從發(fā)射電路出發(fā)，接著進(jìn)入環(huán)形器，經(jīng)過(guò)端口3到達(dá)端口1，然后經(jīng)過(guò)腔體濾波器最終到達(dá)天線。而接收信號(hào)過(guò)程相反是從天線作為起點(diǎn)，路過(guò)腔體濾波器后達(dá)到環(huán)形器，從端口1出發(fā)經(jīng)過(guò)端口2然后進(jìn)入接收電路。

圖1 環(huán)形器在時(shí)分系統(tǒng)中的連接

環(huán)形器是用于收發(fā)以及隔離的一種單向傳輸工具，主要的評(píng)價(jià)指標(biāo)包括順向傳輸時(shí)產(chǎn)生的插入損耗，也包括反向傳輸時(shí)鄰近端口之間的隔離度，還包括三個(gè)端口之間的反射系數(shù)。供應(yīng)商在進(jìn)行這些指標(biāo)的測(cè)試時(shí)都是在匹配良好的時(shí)候進(jìn)行的。但是在實(shí)際操作中，不同電路之間并不能達(dá)到理想的匹配狀態(tài)，而環(huán)形器具有三個(gè)端口，是一種具有平衡式工作特性的器件。環(huán)形器的插損情況除了可以使用接收增益和對(duì)輸出功率的檢測(cè)進(jìn)行評(píng)價(jià)外，也可以用端口1的回波損耗類(lèi)監(jiān)測(cè)。判斷環(huán)形器電路的正常與否。

環(huán)形器具有較復(fù)雜的腔體結(jié)構(gòu)，實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中只能將一個(gè)調(diào)諧螺釘插入其中。當(dāng)螺釘?shù)陌惭b高度從低升至高時(shí)端口1的回波損耗的最優(yōu)點(diǎn)就會(huì)出現(xiàn)從低頻向高頻進(jìn)行偏移，調(diào)諧螺釘?shù)氖褂每梢允拐{(diào)整變得更便捷，使調(diào)試工作的工作量大大減少。

3 、結(jié)語(yǔ)

本文中闡述了腔體可調(diào)蓋板在射頻電路中的優(yōu)化性能。理論分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)螺釘能夠修正電路中腔體效應(yīng)產(chǎn)生的影響。本文重點(diǎn)闡述了高效合理的修正的方法。在對(duì)腔體諧振產(chǎn)生最明顯影響的位置安裝經(jīng)過(guò)優(yōu)化處理的調(diào)諧螺釘后可以實(shí)現(xiàn)修正腔體效應(yīng)的目標(biāo)。這一方法同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)整批量生產(chǎn)中不同批次器件之間出現(xiàn)的差異引起的失配現(xiàn)象，且調(diào)整方法具有簡(jiǎn)單高效的特點(diǎn)，對(duì)調(diào)試效率的提高效果明顯。

[1]uhao Liu, Anand A, Xiaoguang Liu. Design of Low Phase-Noise Voltage-Controlled Oscillator Using Tunable Evanescentmode Cavity[C]. Radio and Wireless Symposium(RWS),IEEE,2014:82-84

[2]Kurudere S, Erturk V B. Novel Microstrip Fed Mechanically Tunable Combline Cavity Filter[J]. IEEEMicrowave and Wireless Components Letters,2013,23:578- 580．

張忠輝，1980.09，男，漢，本科，助理工程師，目前從事微波射頻方面的研究。