超寬帶微帶幅度均衡器的設(shè)計(jì)

張生春 華根瑞 王 鵬

(西安電子工程研究所 西安 710100)

1 引言

設(shè)計(jì)超寬帶T/R組件時(shí)，要解決寬頻帶內(nèi)的幅度平坦性問(wèn)題。由于超寬帶T/R組件的放大器增益不平坦，以及信號(hào)傳輸過(guò)程中的損耗差異，使得帶內(nèi)增益在工作頻帶內(nèi)存在一定的起伏。本文將設(shè)計(jì)一種微帶幅度均衡器，用于均衡T/R組件頻帶內(nèi)的幅度差異，改善組件輸出功率的平坦度和穩(wěn)定度。

圖1為超寬帶T/R組件典型設(shè)計(jì)框圖，在發(fā)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(lái)補(bǔ)償T/R組件發(fā)射增益和接收增益在工作頻帶內(nèi)的起伏。

幅度均衡器的2點(diǎn)技術(shù)要求:

a.在工作頻帶內(nèi)要滿足預(yù)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(diào)式均衡器，腔體諧振均衡器等多種實(shí)現(xiàn)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(diào)試方便。因此在T/R組件設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(nèi)的增益曲線有一定的起伏，隨頻率增長(zhǎng)出現(xiàn)負(fù)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(bǔ)償這種增益起伏，要求設(shè)計(jì)的均衡器的衰減特性隨頻率增長(zhǎng)表現(xiàn)為一個(gè)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(jù)圖2(b)所示的幅度衰減特性，結(jié)合微帶短截線諧振原理，利用微帶線實(shí)現(xiàn)陷波器，從而得到所需衰減響應(yīng)。一段微帶終端短路或者開(kāi)路無(wú)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(shù)，為微帶線的長(zhǎng)度。

由上式可以看到，一段無(wú)耗短截線的輸入阻抗為純虛數(shù)，隨著長(zhǎng)度d與波長(zhǎng)λ比值的變化，短截線可以表現(xiàn)為感性、開(kāi)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(zhǎng)度為d短截線隨著波長(zhǎng)λ的減小，阻抗從零逐步增大，當(dāng)λ=d/4時(shí)阻抗為無(wú)窮大，然后再由無(wú)窮大減小到零。根據(jù)這一特性，在微帶傳輸線網(wǎng)絡(luò)中加入適當(dāng)?shù)乃p電阻，構(gòu)成衰減枝節(jié)，就可以在中心頻率附近得到“鐘型”陷波器的衰減響應(yīng)。對(duì)于終端短路的λ/4微帶線，加載電阻后的微帶電路枝節(jié)結(jié)構(gòu)如圖4所示，調(diào)節(jié)微帶短截線的長(zhǎng)度可以調(diào)節(jié)枝節(jié)的諧振頻率;調(diào)節(jié)加載電阻R可以調(diào)節(jié)衰減量;調(diào)節(jié)微帶線寬度可以對(duì)諧振頻率和衰減量進(jìn)行微調(diào)。

圖4 加載電阻的四枝節(jié)微帶均衡器結(jié)構(gòu)

2.2 公式計(jì)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(gòu)成。微帶線的有關(guān)計(jì)算可以用傳輸線理論來(lái)處理。

微帶線的有效介電常數(shù)可以理解為一個(gè)均勻媒質(zhì)的介電常數(shù):

(3)整合區(qū)域旅游資源。張家界地質(zhì)與人文旅游資源資源豐富，應(yīng)在不破壞生態(tài)環(huán)境的前提下積極探索新的旅游景點(diǎn)，挖掘和提升其他旅游資源，使張家界旅游向“全域旅游”方向發(fā)展，以緩解該公園作為老景區(qū)的旅游壓力。

本文將設(shè)計(jì)一個(gè)6～18GHz微帶均衡器，均衡器衰減曲線如圖2(b)所示，傳輸信號(hào)在18GHz處插入損耗最小，在6GHz處插入損耗最大。這就要求設(shè)計(jì)的微帶均衡器衰減枝節(jié)在18GHz時(shí)處于開(kāi)路，即枝節(jié)輸入阻抗Zin=∞;而在6GHz時(shí)處于短路，即枝節(jié)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(shù)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(zhǎng)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(shí)現(xiàn)如圖2(b)所示的衰減曲線?？梢詫⑦@樣的微帶諧振器單元適當(dāng)?shù)募?jí)聯(lián)，來(lái)實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)

3.1 仿真模型

由于該微帶幅度均衡器應(yīng)用于T/R組件中，所以要求其尺寸越小越好。我們采用兩個(gè)相同尺寸的電阻加載支節(jié)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(shí)將它放在一個(gè)矩形空氣腔中，仿真模型如圖5所示。

3.2 仿真優(yōu)化

均衡器的第一個(gè)設(shè)計(jì)要求是在工作頻帶內(nèi)要滿足預(yù)期的幅度衰減特性。以上的分析表明，通過(guò)改變短截線長(zhǎng)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(zhǎng)度L、不同諧振線長(zhǎng)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(zhǎng)度L不包含加載電阻R的電長(zhǎng)度L-R，微帶諧振器電長(zhǎng)度d=L+L-R。

均衡器的第二個(gè)設(shè)計(jì)技術(shù)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(shè)計(jì)時(shí)，我們采用兩個(gè)相同的諧振衰減枝節(jié)，所以它們的回波特性是一樣的，我們將兩個(gè)枝節(jié)的間距設(shè)定為中心頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的一半，這樣兩個(gè)枝節(jié)的回波相差半個(gè)波長(zhǎng)，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(jié)間距d下均衡器的駐波特性曲線。

圖9 枝節(jié)間距d對(duì)均衡器駐波的影響

3.3 仿真結(jié)果分析

由圖5～7可以看出對(duì)均衡器的仿真結(jié)果和前面的理論分析相吻合。在應(yīng)用中，可以通過(guò)改變短截線長(zhǎng)度、寬度以及加載電阻R的大小來(lái)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(cè)試

由仿真優(yōu)化的電路結(jié)構(gòu)，加工微帶均衡器模塊實(shí)物如圖10所示。實(shí)測(cè)均衡曲線和仿真曲線的比較如圖11所示，可以看出，實(shí)測(cè)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(cè)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(cè)試曲線和仿真曲線的對(duì)比圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文采用微帶電路，利用計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，研制出用于超寬帶T/R組件的微帶幅度均衡器。通過(guò)大量HFSS仿真和測(cè)試實(shí)驗(yàn)，可以看出仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果較好地吻合。其特點(diǎn)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(biāo)要求，均衡量達(dá)到5 dB以上。

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