盧子焱，王超杰，曾 超，姚瑞林，李志友，周 麗

(1. 中國電子科技集團公司第29 研究所 成都 610036；2. 四川省寬帶微波電路高密度集成工程研究中心 成都 610036)

隨著微電子技術的迅猛發(fā)展，多功能單片微波集 成 電 路(monolithic microwave integrated circuit,MMIC)已大規(guī)模應用于寬帶射頻微系統。雖然目前的多功能MMIC 具有體積小、集成度高、便于二次集成的優(yōu)勢，但其射頻性能指標仍存在局限性，如在超寬帶應用中器件增益隨頻率升高而逐漸下降，且增益幅度隨溫度變化波動大。在超寬帶射頻收發(fā)前端，如果沒有溫度補償和幅度均衡等措施，增益隨頻率和高低溫影響波動較大，嚴重影響其在實際工程中的應用。因此增益幅度均衡、溫度補償技術對于改善寬帶射頻收發(fā)前端的性能指標尤為重要。

目前，實現超寬帶射頻收發(fā)前端的增益補償技術主要有增益均衡[1-6]和溫度補償技術[7-11]，如文獻[5]和文獻[6]分別基于微帶線和同軸線設計了寬帶幅度均衡器，文獻[11]基于π 型衰減網絡設計了超寬帶溫補衰減器，溫度補償系數達到?0.005 dB/℃。但是由于寬帶收發(fā)前端通常需要同時使用增益均衡和溫度補償技術，若采用前面已報道的相關技術手段分別設計增益均衡器和溫度補償衰減器，不利于前端的小型化。而采用厚膜工藝實現的溫度補償衰減器，由于趨膚效應高頻段溫補衰減器性能較差，無法滿足寬帶微系統的應用需求[11-15]。同時對于多通道收發(fā)系統，文獻[1-6]報道的均衡器不具有均衡量動態(tài)調整特性，不利于多通道系統應用的一致性實現。

為解決上述問題，本文提出了一種寬帶一體化溫補均衡器。該溫補均衡器在6～18 GHz 頻段范圍內可實現3～5 dB 的幅度均衡，并在?55～+85℃溫度范圍內實現6 dB 的增益補償。為改善因溫度變化造成的均衡器輸入輸出駐波惡化的情況，溫補均衡器的輸入和輸出端增加了90°電橋[10]，使得其具備良好的寬帶匹配特性。為提高溫補均衡器電路的可制造性，溫補均衡電路中增加了額外的微帶支節(jié)和熱敏電阻，通過改變金絲壓焊位置對幅度均衡和溫度補償范圍進行動態(tài)調整。

1 電路結構與原理分析

1.1 電路結構

圖1 為一體化溫補均衡器的電路原理。該均衡器由溫度補償子電路、幅度均衡子電路和3 dB電橋組成。其中3 dB 電橋主要實現溫補均衡電路的阻抗匹配，改善輸入輸出駐波，均衡子電路實現不同頻率的幅度調節(jié)，溫補子電路實現高、低溫情況下的幅度調整。

圖1 一體化溫補均衡器電路原理

1.2 原理分析

一體化溫補均衡器電路主要包含幅度均衡和溫度補償兩部分功能。這里先對溫補、均衡子電路的前向傳輸系數S21進行分析，溫補均衡子電路原理如圖2 所示。

圖2 溫補均衡子電路原理

假定溫補均衡器電路輸入端電壓為V1，負載ZL處電壓為V2，由散射參數理論可知：

由式(2)和式(3)可知，在頻率f由0～f0的變化過程中，|S21|逐漸減小，表明溫補均衡器電路插損逐漸減小，可實現電路幅度均衡功能。

為了分析均衡電路的溫度補償特性，令R1、R2保持不變并且βl固定不變，即頻率固定時，改變R3，則式(1)可化簡為:

由(4)式可知，|S21|隨R′3增大而增大。因此可以通過具有正溫度系數的熱敏電阻來實現電阻R3，即阻值隨溫度的升高而增加，從而實現溫度補償功能。為了驗證分析，采用Matlab 軟件對|S21|進行編程計算，計算結果如圖3 所示。隨著頻率的增加，溫補均衡器的插損逐漸減小；而隨著溫度升高，熱敏電阻R3逐漸增大，溫補均衡器的插損逐漸減小。

圖3 溫補均衡器插損仿真結果

由式(9)和(10)可知，溫補均衡電路輸入輸出反射系數隨熱敏電阻R3的變化而變化，即隨環(huán)境的溫度變化而變化。

為簡化分析，采用Matlab 軟件對|S11|和|S22|進行編程計算分析，其仿真結果如圖4 和圖5 所示。由仿真結果可知：隨著溫度的升高，熱敏電阻R3阻值逐漸變大，使得|S11|和|S22|逐漸降低；而在相同條件下，輸入反射系數|S11|優(yōu)于輸出反射系數|S22|。由于熱敏電阻R3隨溫度降低而阻值減小，使得反射系數絕對值變大，從而導致輸出駐波惡化，不滿足工程實用需求。

圖4 溫補均衡器反射系數S11 的仿真結果

圖5 溫補均衡器反射系數S22 的仿真結果

在實際的系統應用中，為解決溫補均衡電路輸入輸出反射系數隨環(huán)境溫度變化而變化的難題，需要在溫補均衡電路的輸入和輸出端增加90°電橋，以實現溫補均衡電路與外部電路的隔離，從而改善其輸入輸出端的反射系數，如圖1 所示。該電路的工作原理為射頻輸入信號首先進入90°電橋，然后分成兩路幅度相等、相位相差90°的射頻信號，兩路信號依次經過溫度補償子電路、均衡子電路，分別實現溫補、均衡功能后經90°電橋進行合成得到射頻輸出。而對于溫度補償子電路、幅度均衡子電路的反射信號則會輸出到90°電橋的隔離端被隔離電阻吸收，從而達到改善溫補均衡電路反射系數的目的。

2 一體化溫補均衡器設計

結合實際應用，某寬帶微波收發(fā)系統需要實現帶寬為12 GHz 的溫補均衡功能，幅度均衡量要求3 dB，高低溫溫補范圍為±3 dB。結合前述的一體化溫補均衡器設計原理以及給定的技術指標，提出了一種溫補均衡器電路，其HFSS 結構模型如圖6所示?？紤]到實際情況中因壓焊金絲帶來的性能指標誤差，電路模型中加入了額外的微帶支節(jié)以用于優(yōu)化均衡線性度和回波損耗等指標。

圖6 一體化溫補均衡器仿真模型

為獲得溫補均衡器的幅度均衡特性，熱敏電阻采用了溫度為+85℃時的邊界值500 Ω 進行仿真。通過對圖6 所示電路模型進行仿真和優(yōu)化，獲得了均衡器幅度均衡仿真結果，如圖7 所示。由圖7a可知，在溫度為+85℃時，該溫補均衡器在18 GHz處的插入損耗約為1.1 dB，而在6 GHz 處的插入損耗約為4.9 dB，均衡量為3.8 dB，整個頻段的輸入輸出駐波比優(yōu)于1.6，如圖7b 所示。

圖7 一體化溫補均衡器仿真結果

3 驗證與測試

為了驗證所提出的一體化溫補均衡器電路，本文采用了薄膜制造技術，基片采用氧化鋁陶瓷(Al2O3)，電路采用鍍金薄膜，固定電阻采用TaN 薄膜電阻，阻值精度為±5%，熱敏電阻采用厚膜工藝制造，其實物如圖8 所示。由于加入了額外的微帶調試支節(jié)，電路幅度均衡量實現了3 dB 和5 dB 可調。圖9 給出了溫補均衡電路在3 dB 和5 dB 均衡條件下的全溫測試結果。在高溫85℃時，均衡器在18 GHz 處 的 插 損 約 為2.3 dB，在 低 溫?55℃時18 GHz 處插損約為9 dB，高低溫溫補量為6.7 dB。在全溫狀態(tài)下，均衡器在全頻段的駐波比小于2.5，能夠滿足實際應用需求，達到了預期效果，其測試結果與仿真結果近似吻合。

圖8 一體化溫補均衡器實物

圖9 一體化溫補均衡器全溫測試結果

4 結 束 語

本文采用溫補、均衡綜合技術，研制了一種寬帶一體化溫補均衡器。其仿真與測試結果的一致性驗證了此技術的有效性和可行性，滿足工程應用需求。該溫補均衡器設計方法可廣泛應用在超寬帶微波收發(fā)系統中，具有較高的工程應用價值。