王 璇,紀(jì)學(xué)軍,姜海玲

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北石家莊050081)

0 引言

信號(hào)在傳輸?shù)倪^(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)幅度畸變和相移畸變。為了保證傳輸?shù)馁|(zhì)量,畸變大小應(yīng)受到限制。通常是通過(guò)均衡網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行校正。校正幅度畸變的工作原理是使信號(hào)在畸變之前或之后經(jīng)過(guò)一個(gè)均衡網(wǎng)絡(luò),這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的特性恰好與信號(hào)的幅頻特性相反,這樣就可以使信號(hào)不發(fā)生幅度畸變,插入的這個(gè)網(wǎng)絡(luò)就是增益均衡器。增益均衡器主要技術(shù)要求有2:①在工作頻帶內(nèi)要有符合要求的增益衰減曲線;②輸人輸出駐波要盡量小,即反射功率越小越好,與外部電路相匹配[1]。

傳統(tǒng)的毫米波均衡器結(jié)構(gòu)形式中主傳輸線大多采用矩形波導(dǎo),但隨著毫米波接收前端集成方式的改變以及小型化的發(fā)展趨勢(shì),波導(dǎo)結(jié)構(gòu)漸漸不能滿足使用需求,所以漸漸被微帶結(jié)構(gòu)所代替。對(duì)于有耗的增益均衡網(wǎng)絡(luò),必然需要電阻來(lái)吸收能量來(lái)降低反射功率,一般在比較低的頻率可以采用集總電阻實(shí)現(xiàn),但到了毫米波,一方面集總電阻的體積過(guò)大,另一方面隨著頻率的增加其寄生效應(yīng)影響變大,而又無(wú)法精確的進(jìn)行設(shè)計(jì),所以限制了增益均衡器在寬帶小型化接收前端的應(yīng)用。

使用ADS與HFSS優(yōu)化仿真的設(shè)計(jì)方法,選用陶瓷基片和薄膜電阻實(shí)現(xiàn)了用于毫米波頻段的寬帶小型化增益均衡器。

1 增益均衡器基本理論與陷波單元

1.1 增益均衡器的基本原理[1]

陷波器是增益均衡器的基本組成單元,它具有一種類似“倒鐘型”的響應(yīng),由R、L和C組成的一種簡(jiǎn)單的接地串聯(lián)回路,L、C決定了其諧振頻率,而R決定了諧振回路的Q值,即陷波器的最大衰減值及波形的寬窄,其S21為:

當(dāng)多個(gè)類似電路級(jí)聯(lián)起來(lái)時(shí),可求出其T矩陣為:

然后由T矩陣與S矩陣的關(guān)系為:

如果每一級(jí)陷波器的輸入輸出都是匹配的,則可以證明級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的S21寫(xiě)為:

寫(xiě)成插入衰減的形式為:

式中,可以看成是以陷波器響應(yīng)作為基函數(shù)的某個(gè)響應(yīng)波形的級(jí)數(shù)展開(kāi)。根據(jù)級(jí)數(shù)展開(kāi)理論,用無(wú)數(shù)多的陷波器響應(yīng)總可以合成任意的響應(yīng)波形。因此可以設(shè)想以對(duì)地串聯(lián)諧振陷波單元為基礎(chǔ),選擇適當(dāng)?shù)闹C振頻率,Q值以及級(jí)聯(lián)數(shù)目,就可以逼近我們需要的任意均衡響應(yīng)。

1.2 利用微帶實(shí)現(xiàn)的陷波器單元及其特性

對(duì)于微波、毫米波使用的增益均衡器,需要采用分布參數(shù)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)這種陷波器單元,根據(jù)經(jīng)典的傳輸線理論,一段終端短路或者開(kāi)路傳輸線,其輸入阻抗和輸入導(dǎo)納為:

式中,一段短截線的輸入阻抗為純虛數(shù),隨著長(zhǎng)度的變化,短截線可以表現(xiàn)為感性、并聯(lián)諧振、容性和串聯(lián)諧振等特性。實(shí)際上一段長(zhǎng) λ/4的終端開(kāi)路線或一段長(zhǎng) λ/2的終端短路線都等效為一個(gè)串聯(lián)諧振回路,但這樣結(jié)構(gòu)的微帶諧振回路,損耗很小,可以看作是無(wú)耗的。圖1為加載電阻的陷波器原理電路。

圖1 2種加載電阻的陷波器模型

實(shí)際使用的陷波器要求其中要有一個(gè)電阻 R來(lái)調(diào)節(jié)諧振回路的Q值,從而調(diào)節(jié)衰減量和輸入輸出駐波。當(dāng)在上述傳輸線網(wǎng)絡(luò)中加上適當(dāng)?shù)膿p耗電阻時(shí),就可以在中心頻率附近得到陷波器的響應(yīng)?？刂萍虞d電阻R可以控制Q值,而控制微帶短截線的長(zhǎng)度可以控制枝節(jié)的諧振頻率,寬度可以對(duì)諧振頻率和Q值進(jìn)行微調(diào),具體關(guān)系如表1所示。

表1 調(diào)節(jié)諧振單元各變量對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)的影響

通過(guò)以上分析可知,可以將這樣的微帶陷波器通過(guò)適當(dāng)?shù)募?jí)聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)“倒鐘型”響應(yīng)增益均衡器。

2 平面結(jié)構(gòu)增益均衡器的設(shè)計(jì)

由于均衡器本身的均衡特性具有任意性,因此其綜合方法還沒(méi)有成熟的理論支撐。目前常用的方法有網(wǎng)絡(luò)綜合法和計(jì)算機(jī)優(yōu)化法。網(wǎng)絡(luò)綜合法主要有經(jīng)典的達(dá)林頓網(wǎng)絡(luò)綜合法和主要用于寬帶匹配的實(shí)頻數(shù)據(jù)法,但這2種方法設(shè)計(jì)出來(lái)的是無(wú)耗網(wǎng)絡(luò),這與實(shí)際應(yīng)用的情況不符。通過(guò)Smith圓圖可以方便的得到有耗網(wǎng)絡(luò),但它是窄帶的對(duì)于寬帶應(yīng)用來(lái)說(shuō),它需要設(shè)計(jì)者有豐富的經(jīng)驗(yàn),并不是一個(gè)適合應(yīng)用于寬帶均衡器的方法。

直接優(yōu)化是一種設(shè)計(jì)增益均衡器的有效方法,它以微帶增益均衡器可能的電路拓?fù)錇榛A(chǔ),通過(guò)計(jì)算機(jī)優(yōu)化方法來(lái)逼近要求的均衡響應(yīng)。它雖然對(duì)電路的限制比較多(僅能使用事先指定的某些電路形式),可能無(wú)法得到最好的電路拓?fù)?但它是一種快速、有效實(shí)現(xiàn)響應(yīng)目標(biāo)的方法,而且需要的人工干預(yù)較少,使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)⒕Ψ诺綄?duì)電路結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新上。

2.1 優(yōu)化方法的仿真設(shè)計(jì)模板

利用仿真優(yōu)化的方法實(shí)現(xiàn)增益均衡器的關(guān)鍵在于建立一種比較合理的電路模板。理論上采用增加或減少諧振器、更改元件參數(shù)等方法,可以獲得任意的響應(yīng)。但具體實(shí)現(xiàn)時(shí),由于損耗的存在,使諧振器的Q值不可能做到很大,另外考慮到小型化的問(wèn)題,也不可能采用任意多的諧振器,通常使用2～4個(gè)即可[2]。

為了使均衡器在系統(tǒng)中能夠正常工作,必須使得均衡器的回波損耗盡可能得小,所以在均衡器的輸入、輸出端還應(yīng)引入匹配電路。

綜上所述,可以得到用于優(yōu)化的微帶均衡器模板如圖2所示。電路模板分為3個(gè)部分:枝節(jié)諧振器、級(jí)間匹配和輸入輸出匹配電路。陷波單元的數(shù)目可以根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整。

圖2 用于優(yōu)化設(shè)計(jì)的微帶增益均衡器模板

2.2 優(yōu)化方法的設(shè)計(jì)步驟

有了合適的陷波器單元和均衡器模板,根據(jù)設(shè)計(jì)步驟就可以很方便地設(shè)計(jì)出所需的增益均衡器,具體步驟如下:

①有理論或?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)得到所需要的均衡特性并選擇關(guān)鍵的均衡點(diǎn);

②確定陷波單元的工作頻率并對(duì)單個(gè)陷波單元進(jìn)行獨(dú)立全波仿真設(shè)計(jì);

③根據(jù)所需特性選擇陷波單元個(gè)數(shù)并建立ADS模型;

④將初值代入ADS模型中并對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行優(yōu)化;

⑤采用HFSS進(jìn)行全波仿真驗(yàn)證ADS優(yōu)化結(jié)果是否滿足均衡要求;

⑥判斷,如果滿足要求即可加工制作,如不滿足要求微調(diào)模型并回到步驟②。

3 毫米波小型化增益均衡器

3.1 小型化的實(shí)現(xiàn)方法

一般的高頻介質(zhì)基片(如Duroid 5880)無(wú)法用來(lái)實(shí)現(xiàn)毫米波增益均衡器,一方面加工精度無(wú)法保證,另一方面加載電阻也難以實(shí)現(xiàn)。采用陶瓷基片及薄膜電阻是一個(gè)比較好的選擇。

薄膜電路能夠加工出的最小線寬和縫隙可達(dá)18 μ m或更小,加工精度達(dá)到 μ m量級(jí),并且由于陶瓷基片具有比較高的介電常數(shù)εT=9.8,使得確定電尺寸的微帶線實(shí)際的物理尺寸比較小,能夠適應(yīng)小型化的需求。

薄膜電阻實(shí)際上是由電阻層(氮化坦TaN)和支持層(鈦鎢TiW)組成,標(biāo)準(zhǔn)方阻為 50 Ω每平方,可通過(guò)設(shè)計(jì)電阻的長(zhǎng)寬得到所需的阻值為:

由于工藝原因加工出的薄膜電阻阻值可能同設(shè)計(jì)值有些差別(誤差±10%以內(nèi)),但由前面的分析可知,電阻主要是用來(lái)調(diào)節(jié)陷波器的均衡量,并且電阻值越小,能夠獲得的均衡量越大。而實(shí)際應(yīng)用中通常都需要陷波單元有比較大的均衡量,因此電阻值也就設(shè)計(jì)得比較小(通常都小于50 Ω),通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)相應(yīng)的誤差對(duì)于整體電路的影響可以忽略。

3.2 設(shè)計(jì)指標(biāo)與ADS仿真模型

這里設(shè)計(jì)的增益均衡器主要用來(lái)補(bǔ)償寬帶毫米波接收前端中2級(jí)低噪聲放大器(LNA)級(jí)聯(lián)的增益不平坦性,低噪聲放大器為Mimix的XL1000-BD,單級(jí)的測(cè)試結(jié)果表明該放大器在Ka頻段增益從低頻到高頻呈線性減少,具體數(shù)據(jù)和所需的增益均衡器設(shè)計(jì)指標(biāo)列表如表2所示。并要求在整個(gè)頻段內(nèi)的S11≤-10 dB。補(bǔ)償后增益平坦度達(dá)到±1 dB。

表2 根據(jù)實(shí)際需要選擇的增益均衡器衰減指標(biāo)

通過(guò)對(duì)單個(gè)陷波單元的設(shè)計(jì),確定由4個(gè)陷波單元級(jí)聯(lián)來(lái)達(dá)到大約20 dB的均衡量,并且考慮到實(shí)際應(yīng)用中腔體的寬度只有3.1 mm,因此為了減小均衡器的橫向尺寸采用了彎曲的諧振枝節(jié)。

3.3 全波仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果

將由ADS優(yōu)化得到的結(jié)構(gòu)參數(shù)通過(guò)HFSS建模進(jìn)行三維全波仿真的驗(yàn)證,版圖如圖3所示。得到的測(cè)試結(jié)果如表3所示。

圖3 增益均衡器的版圖

表3 功率均衡器的測(cè)試結(jié)果

實(shí)測(cè)結(jié)果與設(shè)計(jì)仿真結(jié)果基本一致,并達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。但是由于測(cè)試與組裝原因?qū)е聨讉€(gè)頻率點(diǎn)的駐波特性不好,所以均衡曲線在Ka頻帶高端有幾個(gè)傳輸?shù)奈拯c(diǎn),但是增益波動(dòng)并不很大,大約0.5dB。這可以通過(guò)改善測(cè)試方法來(lái)解決。

最終設(shè)計(jì)加工出的毫米波增益均衡器體積為5 mm×2.9 mm×0.254 mm,達(dá)到了小型化的要求,最大均衡量達(dá)到了20 dB,Ka全頻段S11優(yōu)于8 dB,與2級(jí)低噪聲放大器級(jí)聯(lián)后獲得了小于2 dB的增益平坦度。

4 結(jié)束語(yǔ)

將增益均衡器用在寬帶的毫米波接收前端當(dāng)中,用來(lái)代替衰減器改善平坦度指標(biāo)。討論了增益均衡器的基本原理,基本陷波單元的構(gòu)成形式以及其特性。對(duì)增益均衡器的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了詳細(xì)的闡述,并給出了一般的設(shè)計(jì)步驟。介紹了采用陶瓷基片與薄膜電阻相關(guān)內(nèi)容,設(shè)計(jì)出了一個(gè)Ka頻段寬帶增益均衡器,說(shuō)明了設(shè)計(jì)方法的可行性與準(zhǔn)確性。

[1]RUIMIN XU,BO YAN,MENGGUO YU,et al.Research on the Millimeter Wave Power Equalizer[M].Microwave,Antenna,Propagation and EMC Tech-nologiesfor Wireless Communications,2007:446-449.

[2]張 勇,薛 凱.高均衡量微帶寬帶功率均衡器[J].強(qiáng)激光與粒子束,2008(7):1148-1150.