寬帶信道增益平坦度仿真設計*

(中國西南電子技術研究所，成都 610036)

1 引 言

隨著科學技術的發展，無線通信技術取得了長足的發展，但同時各領域要求也越來越高。民用領域，全球移動通信系統(GSM)、第三代移動通信(3G)、藍牙(Bluetooth)、無線局域網(WLAN)和超寬帶(UWB)等多種系統并存，通信速率也已經達到了每秒數十兆比特甚至上百兆比特但依然無法完全滿足日益增長的需求[1]；軍用領域，雷達、電子戰、語音/數據通信、導航、識別、制導等功能系統種類數量不斷增加，同時各系統也在不斷向著寬帶、高速及跳頻抗干擾方向發展。這些需求和發展，導致各種系統的工作頻率和瞬時帶寬越來越寬，對于電子偵察系統來說，如果要對這么多種軍民用系統進行信息采集和處理，其射頻接收前端的寬帶設計成為關鍵和難點所在。寬帶信道設計中，除了寬帶抗干擾、寬帶大動態設計外，信道的寬帶增益平坦度指標好壞是信道寬帶性能保證的基礎，同時設計加工中能夠對其產生影響的因素眾多，也是設計難點所在，通常都是通過產品的后期調試來保證指標。本文利用公式計算與電路仿真、三維電磁場仿真相結合的方式，詳細分析了微波電路設計中各種因素對信道增益平坦度的影響，針對各種影響因素給出了電路解決改善方法，并論述了實際寬帶微波電路設計中的關鍵技術和注意事項。

2 寬帶增益平坦度主要影響因素分析

2.1 器件幅頻特性的影響

微波元器件的寬帶幅頻特性是射頻前端及信道寬帶設計的基礎，也是對寬帶增益平坦度影響最大的因素[2]。隨著微波材料及工藝技術的發展，微帶開關、放大器、混頻器等器件的帶寬已經越來越寬，其噪聲、隔離度等指標已經完全可以滿足寬帶使用要求。但對于增益和插損這樣的傳輸特性來說，由于微波信號傳輸損耗與信號波長有關，器件的增益或插損很難做到在低頻端和高頻端內完全一致[3]。以WanTcom公司寬帶低噪放為例，在0.5～2.5 GHz頻段可以做到噪聲小于1，但是增益波動在1.5 dB左右，其實際電路模型的傳輸曲線如圖1所示。寬帶性能更好的低噪聲放大器可以做到同樣的頻段內增益波動小于1 dB，但尺寸和器件價格將成倍增加。

圖1 寬帶放大器增益波動曲線

寬帶射頻前端或接收信道設計中，寬帶器件往往不止1級，多級級聯情況下，器件增益波動情況會產生疊加效果。如果不考慮器件渡口駐波及級間匹配的影響，通過仿真和計算均可驗證多級之間波動疊加為線性疊加。以1.5～2.5 GHz信道為例，上述低噪放在該頻段增益波動為0.8 dB，接收前端選用兩級濾波器與兩級放大器級聯，級聯后的增益波動達到2.2 dB，仿真結果如圖2所示。因此在信道及前端設計時，需要綜合考慮各級器件的平坦度指標。

圖2 寬帶射頻前段級聯增益平坦度曲線

2.2 端口駐波及級間匹配的影響

寬帶微波器件所提供的指標均是理想匹配情況下的測試值，實際使用時，器件的端口駐波及級間匹配會對寬帶信號的能量傳輸產生影響,惡化信道的平坦度指標。器件的電壓駐波比、功率反射系數、傳輸損耗的表達如下[4]：

式中，Γ為電壓反射系數,Ur為端口輸入電壓,VSWR為電壓駐波比，Ref為歸一化的功率反射系數，Los為歸一化的傳輸損耗。微波信道設計中，增益及插損等指標常用對數值表示以便于計算，REF(單位dB)和LOS(單位dB)為Ref和Los的對數值。

常用的電壓駐波比與反射損耗、傳輸損耗的關系如表1所示。由表中可知，器件的電壓駐波比越大，其傳輸損耗越大。當器件的輸入端口電壓駐波比達到1.5時，傳輸損耗將達到0.2 dB左右。對于寬帶器件，0.2 dB的能量損失本身影響不大，但如果電壓駐波比在指標范圍內波動很大，極限情況下會造成器件傳輸損耗的0.2 dB波動，多級級聯疊加后對系統增益平坦度的影響將非常巨大。

表1 電壓駐波比與發射系數、反射損耗、傳輸損耗關系表

端口駐波比較差的器件級聯使用時，微波信號在器件的輸入端口反射后，會在前級的器件輸出端口再次反射，從而有可能在鏈路內形成多次發射震蕩，進一步惡化平坦度指標，甚至造成在某些頻點上的自激。這種情況下，需要注意避免駐波比較大的器件直接級聯使用。

圖3 微帶針式結構傳輸特性仿真模型

2.3 結構公差對平坦度的影響

由于微波電路的電磁場傳輸特性，寬帶接收前端和信道的增益平坦度對元器件的安裝及結構公差影響非常敏感。一般情況下，寬帶系統應盡量采用表貼小型化器件，但很多高性能寬帶微波器件都是同軸針式接口的腔體結構，使用時器件需要下沉安裝。對于針式輸出結構，使用時焊點應盡量靠近微帶針的根部，但由于結構件加工及器件公差影響，實際使用過程中往往無法做到。懸空的微帶針部分，相當于在電路中串聯了一個電感，器件與微帶片的縫隙越大，電感量越大，對寬帶信道高頻端的影響也越大。利用HFSS三維電磁場仿真軟件對該結構進行仿真，結果表明，寬帶器件與微帶間的間隙為0.5 mm時，在8.5 GHz處的傳輸損耗有1 dB左右；當縫隙增加到1 mm時，傳輸與反射特性會急劇惡化，該頻點已經無法正常工作。這個只是單個接頭的影響，多個微帶針式器件級聯使用時疊加效果的影響更大。

3 寬帶增益平坦度的設計與保證

現有寬帶系統為了保證頻帶內性能一致性，常常要求全頻段增益平坦度波動在±2 dB以內，這對于頻率從幾十兆赫到幾吉赫升至十幾吉赫的系統，設計難度很大。由于影響因素眾多，寬帶信道設計中需要在保證其它指標的前提下，針對各種影響因素進行專門的仿真設計驗證并采取措施，才有可能最終達到系統使用要求[5]。寬帶信道增益平坦度設計中需要重點考慮及注意的主要有以下幾方面。

3.1 系統設計及器件選擇

寬帶射頻信道方案設計時，對于寬帶平坦度指標保證，只通過指標的簡單計算是無法實現的。設計時需要每級器件的詳細測量曲線或參數，再利用仿真軟件進行系統的仿真分析。在器件的選擇上，要充分考慮每級器件的增益波動和傳輸損耗，如果平坦度線性疊加無法達到，可以選用不同傳輸特性變化趨勢的器件進行互補，通過相互抵消改善系統的平坦度。同時，如果頻段太寬，器件寬帶特性無法滿足要求，需要結合預選濾波等其它指標設計保證，采用分段設計，從而降低設計難度，只是設備量會增加，需要綜合考慮。

對于寬帶接收信道中的寬帶變頻，需要注意寬帶本振的幅度如果波動太大，會導致混頻器的變頻損耗在不同頻點上的劇烈變化，導致信道的增益平坦度急劇惡化。對于寬帶本振信號，可用放大器的飽和放大將其推平，再對其諧波進行一定抑制后使用。

如果系統指標要求更高，可以采用細步進數控衰減器與寬帶跳頻本振協同工作的設計，用預失真的方法進行精細調整。利用該方法，可以使寬帶信道的全頻段增益平坦度指標達到1 dB以內，只是其測試及調試工作量巨大，如果是多套系統，還可能需要每套單獨測試設置。

3.2 駐波及級間匹配改善

由前面端口駐波對傳輸損耗的影響可知，寬頻段內器件端口駐波的變化對信道的平坦度會有影響，對于寬帶系統，選用的元器件一般要求端口駐波比小于1.5。如果器件的端口駐波比波動較大，需要保證各級器件的駐波最大值不在同一頻點處，并利用仿真驗證其影響。

對于多級器件的級聯，端口駐波較大的器件不能直接級聯，如果不能避免，需要在兩級器件之間用固定衰減器進行隔離。以表1中駐波比為2的兩級器件級聯為例，端口駐波造成的反射能量為11%，如果選用5 dB固定衰減器隔離，反射能量將減小到3.5%，這樣，就相當于端口駐波比小于1.5的器件級聯，其級聯影響將顯著改善。

3.3 結構加工誤差補償

寬帶信道設計中，在器件選擇和級間匹配保證的情況下，就需要對模塊的結構設計和加工進行一定的規范。表貼封裝的微波器件采用電裝工藝裝配在微帶片上，與螺裝器件相比，其安裝進度及裝配造成的影響要小很多。如果必須選用鏍裝微帶針式結構的器件，根據仿真及實際工作經驗，要求結構設計加工時器件和微帶線間的間隙不大于0.3 mm。同時，可以采用低通濾波器的設計方法，利用L-C-L電路模型，設計一個高頻的低通濾波器，濾波器的截止頻率高于系統最高工作頻率，從而吸收過渡處的寄生電感，減少其對增益平坦度的影響。采用低通匹配前后的電磁場仿真結果表明，通過低通L-C-L模式匹配，可以有效改善微帶針式結構的端口匹配情況。但是，這要求設計時知道準確的加工誤差和間隙大小，在實際工作中很難實現。為此，在寬帶信道電路調試時，可在器件端口處的微帶上貼金屬匹配枝節或焊接集總參數電容，用以模擬L-C-L結構中的C，并根據實際情況調節電容大小，以改善加工公差造成的增益波動。

4 結束語

寬帶射頻信道設計中，增益平坦度設計與保證是其難點和重點所在。本文所論述的寬帶信道增益平坦度設計方法，采用軟硬件結合的仿真設計思路，利用微波電路級仿真，以寬帶器件的實際指標為基礎驗證優化系統方案，并對器件的級聯和匹配進行詳細分析改進，再利用三維電磁場仿真對信道模塊的實際結構和加工公差進行分析控制，有效降低了幾個主要因素對寬帶信道增益平坦度的影響。利用該設計方法，已經實現幾吉赫至十幾吉赫工作頻帶的寬帶高平坦度微波信道的研制，在 L/S/C/X頻段范圍內全頻段增益平坦度可達到小于±1.5 dB的高指標要求。

參考文獻：

[1] 張士兵，張力軍.超寬帶無線通信及其關鍵技術[J]. 電訊技術, 2004，44(5):1-6.

ZHANG Shi-bing, ZHANG Li-jun.Ultra Wideband Radio Communication and its Key Technology [J]. Telecommunication Engineering, 2004，44(5):1-6. (in Chinese)

[2] 劉曉云,鄭嵐.移動通信中寬帶接收系統信號電平特性的研究[J].長春理工大學學報，2006，29(2)：48-51.

LIU Xiao-yun,ZHANG Lan.Study on Received Signal-level Characteristics in Wideband Transmissions in Mobile Communications[J] . Journal of Changchun University of Science and Technology, 2006，29(2)：48-51.(in Chinese)

ZHU Min，LIANG Xiao-xin，CHEN Li-qiang，et al. Adjustment Method of High Gain Flatness PA MMIC[J]. Chinese Journal of Electron Devices,2007，30(4)：1219-1222.(in Chinese)

[4] 顧其諍.微波集成電路設計[M].北京:人民郵電出版社,1978.

GU Qi-zheng.Microwave Integrated Circuit Design[M].Beijing:People′s Posts & Telecom Press,1978(in Chinese)

[5] Mike Golio. 射頻與微波手冊[M].北京:國防工業出版社,2006.

Mike Golio.The RF and Microwave Handbook[M].Beijing: National Defense Industry Press,2006.(in Chinese)