L 頻段高穩(wěn)梳狀譜電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

韓鵬飛

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所, 石家莊050051)

1 引 言

某項(xiàng)目中需要用到分頻段濾波器模塊,要求輸入信號(hào)頻率100 MHz,功率0 ～+3 dBm;輸出0.9 GHz、1.0 GHz、1.1 GHz、1.2 GHz、1.3 GHz、1.4 GHz

共6 個(gè)頻點(diǎn);工作溫度-55 ℃～+85 ℃,輸出信號(hào)幅度-10±1.5 dBm;附加相位噪聲惡化小于3 dB。需要說(shuō)明的是,該組件對(duì)可靠性有明確要求,用戶不希望使用溫補(bǔ)衰減器降低輸出信號(hào)功率波動(dòng)。

整個(gè)模塊由梳狀譜電路和開關(guān)濾波器兩部分組成。其中開關(guān)濾波器電路中的開關(guān)、濾波器高溫時(shí)插損增大,低溫時(shí)插損降低,放大器高溫時(shí)增益降低,低溫時(shí)增益增大,因此開關(guān)濾波器具有高溫時(shí)幅度降低,低溫時(shí)幅度增大的變化特性,并且這種變化是固有的,只能通過選擇合適的器件將變化控制在一定范圍,無(wú)法通過調(diào)試消除或改善。輸入信號(hào)有3 dB 的功率波動(dòng),具有的很寬工作溫度范圍,不利于控制輸出幅度變化;另外,考慮到組件輸出信號(hào)多達(dá)6 個(gè)頻點(diǎn),各頻點(diǎn)輸出幅度變化的不一致性和用于調(diào)整幅度的衰減器衰減量的不連續(xù)性,在不使用溫度補(bǔ)償衰減器的前提下,要求與之配套的梳狀譜電路本身必需具備很高的輸出幅度穩(wěn)定性,是性能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵電路。設(shè)計(jì)思路:一是梳狀譜電路形式要簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn);二是理論設(shè)計(jì)和實(shí)際試驗(yàn)相結(jié)合,通過試驗(yàn)對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整,使之達(dá)到最佳整體效果。

新設(shè)計(jì)了一種梳狀譜電路,利用階躍恢復(fù)二極管(SRD)制作梳狀譜發(fā)生器。經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)和調(diào)試后,最終結(jié)果表明,整個(gè)分頻段濾波器全部電性能指標(biāo)滿足要求,并且通過了SJ 20527A-2003《微波組件通用規(guī)范》規(guī)定的試驗(yàn),達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期。

本文重點(diǎn)說(shuō)明梳狀譜電路部分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),開關(guān)濾波部分實(shí)現(xiàn)相對(duì)容易,不展開敘述。

2 梳狀譜電路設(shè)計(jì)

根據(jù)要求,梳狀譜電路輸入信號(hào)頻率100 MHz,功率0 ～+3 dBm;輸出信號(hào):0.9 ～1.4 GHz。

脈沖發(fā)生器是梳狀譜電路的重要組成部分,由于SRD 脈沖發(fā)生器不需要空閑電路,電路具有簡(jiǎn)單、緊湊的特點(diǎn),利于提高可靠性,本文梳狀譜電路采用了SRD 脈沖發(fā)生器。脈沖發(fā)生器理論參考了文獻(xiàn)[1-2] ,設(shè)計(jì)上主要參考了文獻(xiàn)[ 3] 給出的電路結(jié)構(gòu),該文獻(xiàn)未給出參數(shù)設(shè)計(jì)和最終結(jié)果,本設(shè)計(jì)具體電路上與之也不相同,是一種全新的設(shè)計(jì)。

典型的SRD 梳狀譜電路原理框圖如圖1 所示。電路由驅(qū)動(dòng)放大器、低通濾波器、SRD 脈沖發(fā)生器3部分組成。

圖1 SRD 梳狀譜電路原理框圖Fig.1 Circuit principle diagram of SRD comb spectrum generator

要使SRD 產(chǎn)生較大的窄電流脈沖,從而獲得豐富的諧波輸出,首先需要使用驅(qū)動(dòng)放大器將輸入信號(hào)放大到一定的功率來(lái)推動(dòng)SRD 產(chǎn)生脈沖;低通濾波器的作用是實(shí)現(xiàn)輸入與輸出信號(hào)的隔離,把放大器產(chǎn)生的功率有效地加到二極管上,最大限度地產(chǎn)生更強(qiáng)的窄脈沖電流,同時(shí)使二極管產(chǎn)生的諧波能量不能回串到放大器中。

2.1 SRD 的選擇

設(shè)計(jì)梳狀譜電路脈沖發(fā)生器首先要選擇合適的SRD,SRD 的主要參數(shù)有:階躍時(shí)間tt,少數(shù)載流子壽命τ,結(jié)電容CJ,反向擊穿電壓VB,串聯(lián)電阻RS等。

SRD 應(yīng)有足夠高的截止頻率、足夠大的少數(shù)載流子壽命以及足夠小的階躍時(shí)間。二極管的選則應(yīng)符合以下條件:

(1)階躍時(shí)間tt:為獲得高效率倍頻的關(guān)鍵參數(shù),一般認(rèn)為t t應(yīng)小于所需輸出頻率fN周期的一半,本設(shè)計(jì)中fN對(duì)應(yīng)最高輸出頻率1.4 GHz,應(yīng)選tt<350 ps;

(2)少數(shù)載流子壽命τ:τ>> 1

2πf in(f in為輸入頻率);至少應(yīng)滿足ωτ>10,本設(shè)計(jì)輸入頻率100 MHz,應(yīng)選τ>14 ns;

(3)結(jié)電容CJ:對(duì)于50 Ψ系統(tǒng),結(jié)電容增大會(huì)導(dǎo)致匹配困難, 而且降低倍頻效率,通常阻抗要求:10 Ψ< 1 2πfNCJ<20 Ψ;

(4)反向擊穿電壓VB :輸出功率與VB 的平方成正比,從提高功率容量的角度,希望提高VB,但VB大,則器件I 層厚,導(dǎo)致階躍時(shí)間增長(zhǎng),影響工作頻率上限,所以VB不是越大越好。

根據(jù)以上要求,階躍恢復(fù)二極管選用M-pulse公司的MP4033,其參數(shù)見表1。

表1 階躍恢復(fù)二極管MP4033 參數(shù)表Table 1 Step recovery diode MP4033 parameters

該SRD 最大輸出頻率為14 GHz,滿足使用要求。

2.2 脈沖發(fā)生器電路設(shè)計(jì)

SRD 脈沖發(fā)生器電路如圖2 所示。

圖2 脈沖發(fā)生器電路Fig.2 The pulse generator circuit

脈沖發(fā)生器電路包括SRD、激勵(lì)電感L 和調(diào)諧電容CT、匹配網(wǎng)絡(luò)和偏置電路。其中L 用于存儲(chǔ)和釋放能量,CT 用來(lái)調(diào)諧脈沖發(fā)生器的輸入電納,使脈沖發(fā)生器的輸入阻抗成為純電阻性的,并使激勵(lì)電感在輸入頻率上失諧。

LM 和CM 構(gòu)成的Γ型匹配網(wǎng)絡(luò)用于實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)與脈沖發(fā)生器之間的匹配。

偏置采用自給偏壓方式,偏壓電阻RB 的大小決定了偏壓的大小,直接影響了輸出功率、輸出效率和穩(wěn)定性,如果設(shè)計(jì)不當(dāng),可能導(dǎo)致整個(gè)梳狀譜電路完全不能工作;采用自給偏壓方式時(shí),其功率取自激勵(lì)源,雖然倍頻效率有所下降,但電路簡(jiǎn)單,穩(wěn)定性高,由于倍頻次數(shù)不是很高,為避免在使用頻率上形成空閑回路,自偏壓電阻不串聯(lián)扼流電感;當(dāng)倍頻電路存在寄生振蕩時(shí),可以通過調(diào)節(jié)RB 消除寄生振蕩。同時(shí)為了使偏壓不被加到信號(hào)源電路中,有必要設(shè)置隔直電容Cb1。

Cb2 為輸出端隔直電容,作用是防止偏壓被加到輸出電路。

激勵(lì)電感L 和調(diào)諧電容CT 參數(shù)初值用下面近似公式計(jì)算:

匹配網(wǎng)絡(luò)中電感LM 和電容CM 參數(shù)初值用下面公式進(jìn)行計(jì)算:

式中,Rg為信號(hào)源內(nèi)阻,對(duì)于50 Ψ系統(tǒng),Rg為50 Ψ;由于調(diào)諧后輸入阻抗成為純阻性, R in ≈ωL ,得到LM=30.6 nH,CM=82.9 pF。

偏置電阻RB 參數(shù)初值可以用下面近似公式計(jì)算:

由于電容容值不可以任意選取,實(shí)際使用時(shí)CT取值100 pF,通過調(diào)整電感L 的值來(lái)達(dá)到最佳效果;同樣道理,CM 選用82 pF電容,將來(lái)調(diào)整電感LM 來(lái)達(dá)到最佳效果,電阻RB 取值470 Ψ;隔直電容均取值1 nF。

利用上述元件參數(shù),使用ADS 仿真軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證,電路工作正常;由于模塊工作溫度為-55 ℃～+85 ℃,我們無(wú)法得到高低溫條件下相對(duì)常溫時(shí)準(zhǔn)確的參數(shù)變化,因此以穩(wěn)定性為優(yōu)化目標(biāo)EDA 軟件無(wú)法實(shí)現(xiàn)。解決的辦法是通過實(shí)驗(yàn)確定優(yōu)化的設(shè)計(jì)參數(shù)。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),RB 最佳值與經(jīng)驗(yàn)公式得到的值有較大出入,分析其原因,經(jīng)驗(yàn)公式在計(jì)算時(shí)已經(jīng)忽略了很多因素,如元器件寄生參量的影響等,另外,由于輸出需使用多頻點(diǎn),選取不同倍頻次數(shù)的得到初值結(jié)果有較大出入,我們尚未掌握其準(zhǔn)確規(guī)律。

我們通過實(shí)驗(yàn)來(lái)對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn),表明選用的電容值可以滿足使用要求,激勵(lì)電感L、匹配電感LM 值略有偏小,分析原因認(rèn)為是對(duì)應(yīng)的電容CT 由理論上的107 pF降低到100 pF,需提高L 的電感量進(jìn)行補(bǔ)償,電感LM 的道理類似。

同時(shí),實(shí)驗(yàn)表明RB 取值在1 kΨ左右時(shí)輸出幅度穩(wěn)定性好,這時(shí)允許輸入信號(hào)有較大波動(dòng)。

2.3 其他設(shè)計(jì)

2.3.1 放大器

放大器的作用是為SRD 脈沖發(fā)生器提供足夠的驅(qū)動(dòng)功率,是梳狀譜電路附加相位噪聲的主要來(lái)源;同時(shí)如果放大器輸出功率過大,則會(huì)對(duì)二極管過度激勵(lì),使得相位噪聲嚴(yán)重變壞。本文中放大器還有一個(gè)重要作用,就是降低輸入信號(hào)波動(dòng)對(duì)輸出信號(hào)的影響。查閱了部分有關(guān)梳狀譜電路設(shè)計(jì)的文獻(xiàn),多數(shù)的梳狀譜電路驅(qū)動(dòng)功率在+26 ～+27dBm,有的甚至更高,如采用那樣的設(shè)計(jì),直流功耗上將超出系統(tǒng)要求。直流功耗取決于驅(qū)動(dòng)放大器的輸出功率,如何在滿足系統(tǒng)要求的前提下降低驅(qū)動(dòng)功率,降低輸入功率波動(dòng)對(duì)輸出幅度的影響是關(guān)鍵技術(shù)。

為解決以上問題,我們做了大量的試驗(yàn),試驗(yàn)證明,采用自給偏壓方式的SRD 脈沖發(fā)生器,偏壓電阻RB 如選用得當(dāng),通過適當(dāng)調(diào)整其他參數(shù),可以適當(dāng)降低對(duì)輸入信號(hào)功率的要求。試驗(yàn)表明, 在20 dBm 左右的驅(qū)動(dòng)功率下,可以設(shè)計(jì)出對(duì)應(yīng)的SRD 脈沖發(fā)生器。

系統(tǒng)給定輸入信號(hào)功率為0 ～+3 dBm,為降低輸入信號(hào)功率波動(dòng)的影響,放大器應(yīng)工作在一定程度的飽和狀態(tài),增益應(yīng)不低于23 dB 左右,輸出功率在20 dBm 左右。

放大器選用中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所生產(chǎn)的一款單片放大器,該放大器增益25 dB,線性輸出功率20 dBm,使用頻點(diǎn)輸出駐波比小于1.3。放大器與輸入端口之間設(shè)計(jì)有衰減器,使進(jìn)入SRD脈沖發(fā)生器的功率控制在21 dBm 左右。

2.3.2 低通濾波器

放大器與脈沖發(fā)生器之間設(shè)計(jì)了5 節(jié)低通濾波器,作為匹配電路的補(bǔ)充,用來(lái)實(shí)現(xiàn)梳狀譜電路輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的進(jìn)一步隔離,降低信號(hào)諧波對(duì)SRD 的影響。低通濾波器電路圖如圖3 所示。

圖3 低通濾波器電路圖Fig.3 The low pass filter circuit diagram

低通濾波器仿真結(jié)果:100 MHz 回波損耗-20.0 dB,對(duì)200 MHz抑制為33 dB。

2.3.3 其他

用于實(shí)現(xiàn)自偏壓的電阻采用兩個(gè)電阻串聯(lián)方式,實(shí)現(xiàn)偏壓的精確調(diào)試;激勵(lì)電感L 與匹配電感LM 采用空心電感形式,利于調(diào)試到最佳效果。

梳狀譜電路與開關(guān)濾波器之間設(shè)計(jì)有衰減器,降低開關(guān)濾波器電路對(duì)梳狀譜電路的影響。

3 電路實(shí)現(xiàn)與調(diào)試

3.1 電路實(shí)現(xiàn)

實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí),電路板采用厚度h=0.762 mm、介電常數(shù)εr=2.5 的AD255 介質(zhì)板,表面采用沉金處理。印制板長(zhǎng)度67.5 mm,寬度18.5 mm,電路單元中貼狀元件采用回流焊工藝,放大器、電感等采用手工焊接。使用M 2.0 螺釘將電路單元固定在盒體獨(dú)立的腔體內(nèi)。輸入端口采用SMA-K 接頭,采用半柔性射頻同軸線連接梳狀譜電路單元和開關(guān)濾波器電路單元。梳狀譜電路單元的照片如圖4 所示。

圖4 梳狀譜電路實(shí)物照片F(xiàn)ig.4 Photo of comb spectrum circuit

3.2 電路調(diào)試

調(diào)試時(shí),首先控制輸出幅度的波動(dòng):調(diào)試激勵(lì)電感L 和匹配電感LM,使輸出幅度波動(dòng)達(dá)到最小,這樣做可能會(huì)使效率有所降低,需要在后面的開關(guān)濾波器中補(bǔ)償;再調(diào)節(jié)自偏置電阻RB,使得常溫時(shí)輸入信號(hào)在-2 ～+5 dBm時(shí)能夠保證輸出信號(hào)噪聲本底穩(wěn)定,這樣才能保證高低溫時(shí)的正常工作。由于開關(guān)濾波器電路高溫時(shí)幅度降低增大,低溫時(shí)幅度增大,并且無(wú)法通過調(diào)試克服,需要調(diào)試梳狀譜電路與之配合。梳狀譜電路調(diào)試最佳的效果是:梳狀譜電路本身的輸出功率幅度低溫時(shí)幅度略有下降,高溫時(shí)幅度略微升高,這樣可以保證梳狀譜電路與開關(guān)濾波器電路級(jí)聯(lián)使用時(shí),兩者引起的幅度變化部分抵消,從而降低輸出幅度波動(dòng)。本模塊樣品最終高低溫幅度相對(duì)于常溫均承下降趨勢(shì),從而實(shí)現(xiàn)全工作溫度范圍內(nèi)較小的功率波動(dòng)。

4 測(cè)試結(jié)果

調(diào)試好的樣品經(jīng)清潔處理和點(diǎn)膠粘固后,對(duì)整個(gè)模塊進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)試。使用100MHz 超底相噪晶振提供輸入信號(hào),晶振與模塊輸入端之間串接同軸衰減器,調(diào)整衰減器將輸入信號(hào)功率控制在0 ～+3 dBm,工作溫度-55 ℃～+85 ℃。

使用Agilent E5052A 信號(hào)源分析儀測(cè)試噪聲劣化,同晶振的相位噪聲進(jìn)行比較,在噪聲理論惡化20 lg N(N 為倍頻次數(shù))的基礎(chǔ)上,所有測(cè)試頻點(diǎn)全溫范圍內(nèi)附加噪聲劣化均小于1 dB。

使用Agilent 公司的E4440A 頻譜儀對(duì)整個(gè)模塊進(jìn)行三溫測(cè)試,幅度測(cè)試結(jié)果如表2 所示。

表2 輸出幅度測(cè)試記錄Table 2 The output amplitude test record

在全工作溫度范圍內(nèi),各輸出頻點(diǎn)的輸出功率基本控制在-9.5 ～-11.0 dBm,輸出幅度隨輸入功率變化引起的幅度波動(dòng)小于1.5 dB。

文獻(xiàn)[1]中僅給出一種100 MHz 輸入信號(hào)產(chǎn)生2 GHz 單點(diǎn)輸出的設(shè)計(jì),未給出最終結(jié)果,無(wú)對(duì)比性。

5 結(jié) 論

我們研制出了驅(qū)動(dòng)功率為20 dBm 的梳狀譜電路,采用以上梳狀譜電路的開關(guān)濾波器模塊,在全工作溫度范圍內(nèi),附加噪聲劣化小于1 dB,整個(gè)模塊輸出幅度變化控制在1.5 dB,以較小的驅(qū)動(dòng)功率獲得了較為穩(wěn)定的輸出,具有新穎性,設(shè)計(jì)的梳狀譜電路達(dá)到了預(yù)期的高穩(wěn)輸出目的。開關(guān)濾波器模塊通過了SJ 20527A-2003《微波組件通用規(guī)范》規(guī)定的全部試驗(yàn),可靠性和指標(biāo)滿足系統(tǒng)要求。本文論述的設(shè)計(jì)理念和方法可以作為設(shè)計(jì)和制作其他頻率的梳狀譜電路的參考,這種梳狀譜電路具有實(shí)用價(jià)值和工程價(jià)值。

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