超寬帶微帶幅度均衡器的設計

張生春 華根瑞 王 鵬

(西安電子工程研究所 西安 710100)

1 引言

設計超寬帶T/R組件時，要解決寬頻帶內的幅度平坦性問題。由于超寬帶T/R組件的放大器增益不平坦，以及信號傳輸過程中的損耗差異，使得帶內增益在工作頻帶內存在一定的起伏。本文將設計一種微帶幅度均衡器，用于均衡T/R組件頻帶內的幅度差異，改善組件輸出功率的平坦度和穩定度。

圖1為超寬帶T/R組件典型設計框圖，在發射支路和接收支路都加了幅度均衡器。

圖1 T/R組件

2 均衡器理論分析

幅度均衡器是用來補償T/R組件發射增益和接收增益在工作頻帶內的起伏。

幅度均衡器的2點技術要求:

a.在工作頻帶內要滿足預期的幅度衰減特性;

b.輸入輸出駐波要盡量小，能與其它微波器件相匹配。

幅度均衡器有微帶均衡器，電調式均衡器，腔體諧振均衡器等多種實現形式。其中微帶幅度均衡器體積小，易于與其它微波器件集成，且調試方便。因此在T/R組件設計中，往往選擇微帶吸收式幅度均衡器。下面主要研究微帶幅度均衡器的設計方法。

2.1 超寬帶微帶幅度均衡器

超寬帶微波器件在工作頻帶內的增益曲線有一定的起伏，隨頻率增長出現負方向的傾斜，通常在高頻段的增益往往小于低頻段，如圖2(a)所示。為了補償這種增益起伏，要求設計的均衡器的衰減特性隨頻率增長表現為一個正斜率的曲線，如圖2(b)所示。

圖2 超寬帶T/R組件增益特性和幅度均衡器衰減特性

根據圖2(b)所示的幅度衰減特性，結合微帶短截線諧振原理，利用微帶線實現陷波器，從而得到所需衰減響應。一段微帶終端短路或者開路無耗傳輸線，它的輸入阻抗為:

式中:Z0為微帶線的特性阻抗，β為傳播常數，為微帶線的長度。

由上式可以看到，一段無耗短截線的輸入阻抗為純虛數，隨著長度d與波長λ比值的變化，短截線可以表現為感性、開路、容性和短路特性。

圖3 短路微帶線的輸入阻抗圖

短路微帶線的阻抗特性如圖3所示，一段長度為d短截線隨著波長λ的減小，阻抗從零逐步增大，當λ=d/4時阻抗為無窮大，然后再由無窮大減小到零。根據這一特性，在微帶傳輸線網絡中加入適當的衰減電阻，構成衰減枝節，就可以在中心頻率附近得到“鐘型”陷波器的衰減響應。對于終端短路的λ/4微帶線，加載電阻后的微帶電路枝節結構如圖4所示，調節微帶短截線的長度可以調節枝節的諧振頻率;調節加載電阻R可以調節衰減量;調節微帶線寬度可以對諧振頻率和衰減量進行微調。

圖4 加載電阻的四枝節微帶均衡器結構

2.2 公式計算

微帶均衡器的基本單元是微帶諧振器，由衰減電阻和一段短路微帶線構成。微帶線的有關計算可以用傳輸線理論來處理。

微帶線的有效介電常數可以理解為一個均勻媒質的介電常數:

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本文將設計一個6～18GHz微帶均衡器，均衡器衰減曲線如圖2(b)所示，傳輸信號在18GHz處插入損耗最小，在6GHz處插入損耗最大。這就要求設計的微帶均衡器衰減枝節在18GHz時處于開路，即枝節輸入阻抗Zin=∞;而在6GHz時處于短路，即枝節輸入阻抗Zin=0。

由式1可得:

微帶傳輸線板材選擇RT5880，其介電常數為2.2，基板厚度為10mil=0.254mm，我們采用0.2mm的線寬作為微帶諧振線的寬度。由式1和式2可得:

這樣就得出了所需短路微帶諧振器的電長度為3.06mm。

以上的分析表明，利用電阻加載微帶短路短線可以實現如圖2(b)所示的衰減曲線。可以將這樣的微帶諧振器單元適當的級聯，來實現所需衰減特性的幅度均衡器。

圖5 二階微帶均衡器模型

3 微帶均衡器仿真設計

3.1 仿真模型

由于該微帶幅度均衡器應用于T/R組件中，所以要求其尺寸越小越好。我們采用兩個相同尺寸的電阻加載支節諧振器，并且將諧振微帶線與主傳輸線并行，從而減小了均衡器寬度。仿真時將它放在一個矩形空氣腔中，仿真模型如圖5所示。

3.2 仿真優化

均衡器的第一個設計要求是在工作頻帶內要滿足預期的幅度衰減特性。以上的分析表明，通過改變短截線長度L、寬度W以及加載電阻R的大小就可以改變均衡器單元的諧振頻率、插損曲線的曲率和衰減量的大小。圖6～8為二階均衡器不同諧振線長度L、不同諧振線長度W、不同衰減電阻值R下的衰減特性曲線(S21曲線)，其中微帶長度L不包含加載電阻R的電長度L-R，微帶諧振器電長度d=L+L-R。

均衡器的第二個設計技術要求是輸入輸出駐波要盡量小，匹配良好。即反射功率越小越好，能與其它部件相匹配。在設計時，我們采用兩個相同的諧振衰減枝節，所以它們的回波特性是一樣的，我們將兩個枝節的間距設定為中心頻率對應波長的一半，這樣兩個枝節的回波相差半個波長，從而可以相互抵消，從而減了回波損耗，即駐波減小。圖8為在不同枝節間距d下均衡器的駐波特性曲線。

圖9 枝節間距d對均衡器駐波的影響

3.3 仿真結果分析

由圖5～7可以看出對均衡器的仿真結果和前面的理論分析相吻合。在應用中，可以通過改變短截線長度、寬度以及加載電阻R的大小來改變均衡器單元的諧振頻率和衰減量的大小。

4 均衡器模塊測試

由仿真優化的電路結構，加工微帶均衡器模塊實物如圖10所示。實測均衡曲線和仿真曲線的比較如圖11所示，可以看出，實測均衡曲線比仿真均衡曲線的插入損耗和駐波均略大一些，這是由于在測試中加入了SMA接頭的原因。

圖10 均衡器模塊照片

圖11 均衡器測試曲線和仿真曲線的對比圖

5 結束語

本文采用微帶電路，利用計算機優化設計方法，研制出用于超寬帶T/R組件的微帶幅度均衡器。通過大量HFSS仿真和測試實驗，可以看出仿真結果和實驗結果較好地吻合。其特點是:具有6～18 GHz的超寬頻帶;體積較小;在保證高頻段損耗較小的前提下，駐波和插入損耗滿足了指標要求，均衡量達到5 dB以上。

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