(中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

1 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無線通信技術(shù)取得了長足的發(fā)展，但同時各領(lǐng)域要求也越來越高。民用領(lǐng)域，全球移動通信系統(tǒng)(GSM)、第三代移動通信(3G)、藍(lán)牙(Bluetooth)、無線局域網(wǎng)(WLAN)和超寬帶(UWB)等多種系統(tǒng)并存，通信速率也已經(jīng)達(dá)到了每秒數(shù)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(lǐng)域，雷達(dá)、電子戰(zhàn)、語音/數(shù)據(jù)通信、導(dǎo)航、識別、制導(dǎo)等功能系統(tǒng)種類數(shù)量不斷增加，同時各系統(tǒng)也在不斷向著寬帶、高速及跳頻抗干擾方向發(fā)展。這些需求和發(fā)展，導(dǎo)致各種系統(tǒng)的工作頻率和瞬時帶寬越來越寬，對于電子偵察系統(tǒng)來說，如果要對這么多種軍民用系統(tǒng)進(jìn)行信息采集和處理，其射頻接收前端的寬帶設(shè)計(jì)成為關(guān)鍵和難點(diǎn)所在。寬帶信道設(shè)計(jì)中，除了寬帶抗干擾、寬帶大動態(tài)設(shè)計(jì)外，信道的寬帶增益平坦度指標(biāo)好壞是信道寬帶性能保證的基礎(chǔ)，同時設(shè)計(jì)加工中能夠?qū)ζ洚a(chǎn)生影響的因素眾多，也是設(shè)計(jì)難點(diǎn)所在，通常都是通過產(chǎn)品的后期調(diào)試來保證指標(biāo)。本文利用公式計(jì)算與電路仿真、三維電磁場仿真相結(jié)合的方式，詳細(xì)分析了微波電路設(shè)計(jì)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(shí)際寬帶微波電路設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)和注意事項(xiàng)。

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(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，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(shù)的發(fā)展，微帶開關(guān)、放大器、混頻器等器件的帶寬已經(jīng)越來越寬，其噪聲、隔離度等指標(biāo)已經(jīng)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(guān)，器件的增益或插損很難做到在低頻端和高頻端內(nèi)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(shí)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(nèi)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(shè)計(jì)中，寬帶器件往往不止1級，多級級聯(lián)情況下，器件增益波動情況會產(chǎn)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(jì)算均可驗(yàn)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(lián)，級聯(lián)后的增益波動達(dá)到2.2 dB，仿真結(jié)果如圖2所示。因此在信道及前端設(shè)計(jì)時，需要綜合考慮各級器件的平坦度指標(biāo)。

圖2 寬帶射頻前段級聯(lián)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(biāo)均是理想匹配情況下的測試值，實(shí)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(chǎn)生影響,惡化信道的平坦度指標(biāo)。器件的電壓駐波比、功率反射系數(shù)、傳輸損耗的表達(dá)如下[4]：

式中，Γ為電壓反射系數(shù),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(shù)，Los為歸一化的傳輸損耗。微波信道設(shè)計(jì)中，增益及插損等指標(biāo)常用對數(shù)值表示以便于計(jì)算，REF(單位dB)和LOS(單位dB)為Ref和Los的對數(shù)值。

常用的電壓駐波比與反射損耗、傳輸損耗的關(guān)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(dāng)器件的輸入端口電壓駐波比達(dá)到1.5時，傳輸損耗將達(dá)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(biāo)范圍內(nèi)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(lián)疊加后對系統(tǒng)增益平坦度的影響將非常巨大。

表1 電壓駐波比與發(fā)射系數(shù)、反射損耗、傳輸損耗關(guān)系表

端口駐波比較差的器件級聯(lián)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(nèi)形成多次發(fā)射震蕩，進(jìn)一步惡化平坦度指標(biāo)，甚至造成在某些頻點(diǎn)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(lián)使用。

圖3 微帶針式結(jié)構(gòu)傳輸特性仿真模型

2.3 結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)公差影響非常敏感。一般情況下，寬帶系統(tǒng)應(yīng)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(jié)構(gòu)，使用時器件需要下沉安裝。對于針式輸出結(jié)構(gòu)，使用時焊點(diǎn)應(yīng)盡量靠近微帶針的根部，但由于結(jié)構(gòu)件加工及器件公差影響，實(shí)際使用過程中往往無法做到。懸空的微帶針部分，相當(dāng)于在電路中串聯(lián)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(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，結(jié)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(dāng)縫隙增加到1 mm時，傳輸與反射特性會急劇惡化，該頻點(diǎn)已經(jīng)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(lián)使用時疊加效果的影響更大。

3 寬帶增益平坦度的設(shè)計(jì)與保證

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

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及器件選擇

寬帶射頻信道方案設(shè)計(jì)時，對于寬帶平坦度指標(biāo)保證，只通過指標(biāo)的簡單計(jì)算是無法實(shí)現(xiàn)的。設(shè)計(jì)時需要每級器件的詳細(xì)測量曲線或參數(shù)，再利用仿真軟件進(jìn)行系統(tǒng)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(dá)到，可以選用不同傳輸特性變化趨勢的器件進(jìn)行互補(bǔ)，通過相互抵消改善系統(tǒng)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(jié)合預(yù)選濾波等其它指標(biāo)設(shè)計(jì)保證，采用分段設(shè)計(jì)，從而降低設(shè)計(jì)難度，只是設(shè)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(dǎo)致混頻器的變頻損耗在不同頻點(diǎn)上的劇烈變化，導(dǎo)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(jìn)行一定抑制后使用。

如果系統(tǒng)指標(biāo)要求更高，可以采用細(xì)步進(jìn)數(shù)控衰減器與寬帶跳頻本振協(xié)同工作的設(shè)計(jì)，用預(yù)失真的方法進(jìn)行精細(xì)調(diào)整。利用該方法，可以使寬帶信道的全頻段增益平坦度指標(biāo)達(dá)到1 dB以內(nèi)，只是其測試及調(diào)試工作量巨大，如果是多套系統(tǒng)，還可能需要每套單獨(dú)測試設(shè)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(nèi)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(tǒng)，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(diǎn)處，并利用仿真驗(yàn)證其影響。

對于多級器件的級聯(lián)，端口駐波較大的器件不能直接級聯(lián)，如果不能避免，需要在兩級器件之間用固定衰減器進(jìn)行隔離。以表1中駐波比為2的兩級器件級聯(lián)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(dāng)于端口駐波比小于1.5的器件級聯(lián)，其級聯(lián)影響將顯著改善。

3.3 結(jié)構(gòu)加工誤差補(bǔ)償

寬帶信道設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工進(jìn)行一定的規(guī)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(jìn)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(jié)構(gòu)的器件，根據(jù)仿真及實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，要求結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方法，利用L-C-L電路模型，設(shè)計(jì)一個高頻的低通濾波器，濾波器的截止頻率高于系統(tǒng)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(jié)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(jié)構(gòu)的端口匹配情況。但是，這要求設(shè)計(jì)時知道準(zhǔn)確的加工誤差和間隙大小，在實(shí)際工作中很難實(shí)現(xiàn)。為此，在寬帶信道電路調(diào)試時，可在器件端口處的微帶上貼金屬匹配枝節(jié)或焊接集總參數(shù)電容，用以模擬L-C-L結(jié)構(gòu)中的C，并根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)電容大小，以改善加工公差造成的增益波動。

4 結(jié)束語

寬帶射頻信道設(shè)計(jì)中，增益平坦度設(shè)計(jì)與保證是其難點(diǎn)和重點(diǎn)所在。本文所論述的寬帶信道增益平坦度設(shè)計(jì)方法，采用軟硬件結(jié)合的仿真設(shè)計(jì)思路，利用微波電路級仿真，以寬帶器件的實(shí)際指標(biāo)為基礎(chǔ)驗(yàn)證優(yōu)化系統(tǒng)方案，并對器件的級聯(lián)和匹配進(jìn)行詳細(xì)分析改進(jìn)，再利用三維電磁場仿真對信道模塊的實(shí)際結(jié)構(gòu)和加工公差進(jìn)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(shè)計(jì)方法，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)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(nèi)全頻段增益平坦度可達(dá)到小于±1.5 dB的高指標(biāo)要求。

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