超宽带微带幅度均衡器的设计

2012-06-23张生春华根瑞

火控雷达技术 2012年2期

张生春华根瑞王鹏

(西安电子工程研究所西安 710100)

1 引言

设计超宽带T/R组件时，要解决宽频带内的幅度平坦性问题。由于超宽带T/R组件的放大器增益不平坦，以及信号传输过程中的损耗差异，使得带内增益在工作频带内存在一定的起伏。本文将设计一种微带幅度均衡器，用于均衡T/R组件频带内的幅度差异，改善组件输出功率的平坦度和稳定度。

图1为超宽带T/R组件典型设计框图，在发射支路和接收支路都加了幅度均衡器。

图1 T/R组件

2 均衡器理论分析

幅度均衡器是用来补偿T/R组件发射增益和接收增益在工作频带内的起伏。

幅度均衡器的2点技术要求:

a.在工作频带内要满足预期的幅度衰减特性;

b.输入输出驻波要尽量小，能与其它微波器件相匹配。

幅度均衡器有微带均衡器，电调式均衡器，腔体谐振均衡器等多种实现形式。其中微带幅度均衡器体积小，易于与其它微波器件集成，且调试方便。因此在T/R组件设计中，往往选择微带吸收式幅度均衡器。下面主要研究微带幅度均衡器的设计方法。

2.1 超宽带微带幅度均衡器

超宽带微波器件在工作频带内的增益曲线有一定的起伏，随频率增长出现负方向的倾斜，通常在高频段的增益往往小于低频段，如图2(a)所示。为了补偿这种增益起伏，要求设计的均衡器的衰减特性随频率增长表现为一个正斜率的曲线，如图2(b)所示。

图2 超宽带T/R组件增益特性和幅度均衡器衰减特性

根据图2(b)所示的幅度衰减特性，结合微带短截线谐振原理，利用微带线实现陷波器，从而得到所需衰减响应。一段微带终端短路或者开路无耗传输线，它的输入阻抗为:

式中:Z0为微带线的特性阻抗，β为传播常数，为微带线的长度。

由上式可以看到，一段无耗短截线的输入阻抗为纯虚数，随着长度d与波长λ比值的变化，短截线可以表现为感性、开路、容性和短路特性。

图3 短路微带线的输入阻抗图

短路微带线的阻抗特性如图3所示，一段长度为d短截线随着波长λ的减小，阻抗从零逐步增大，当λ=d/4时阻抗为无穷大，然后再由无穷大减小到零。根据这一特性，在微带传输线网络中加入适当的衰减电阻，构成衰减枝节，就可以在中心频率附近得到“钟型”陷波器的衰减响应。对于终端短路的λ/4微带线，加载电阻后的微带电路枝节结构如图4所示，调节微带短截线的长度可以调节枝节的谐振频率;调节加载电阻R可以调节衰减量;调节微带线宽度可以对谐振频率和衰减量进行微调。

图4 加载电阻的四枝节微带均衡器结构

2.2 公式计算

微带均衡器的基本单元是微带谐振器，由衰减电阻和一段短路微带线构成。微带线的有关计算可以用传输线理论来处理。

微带线的有效介电常数可以理解为一个均匀媒质的介电常数:

(3)整合区域旅游资源。张家界地质与人文旅游资源资源丰富，应在不破坏生态环境的前提下积极探索新的旅游景点，挖掘和提升其他旅游资源，使张家界旅游向“全域旅游”方向发展，以缓解该公园作为老景区的旅游压力。

本文将设计一个6～18GHz微带均衡器，均衡器衰减曲线如图2(b)所示，传输信号在18GHz处插入损耗最小，在6GHz处插入损耗最大。这就要求设计的微带均衡器衰减枝节在18GHz时处于开路，即枝节输入阻抗Zin=∞;而在6GHz时处于短路，即枝节输入阻抗Zin=0。

由式1可得:

微带传输线板材选择RT5880，其介电常数为2.2，基板厚度为10mil=0.254mm，我们采用0.2mm的线宽作为微带谐振线的宽度。由式1和式2可得:

这样就得出了所需短路微带谐振器的电长度为3.06mm。

以上的分析表明，利用电阻加载微带短路短线可以实现如图2(b)所示的衰减曲线。可以将这样的微带谐振器单元适当的级联，来实现所需衰减特性的幅度均衡器。

图5 二阶微带均衡器模型

3 微带均衡器仿真设计

3.1 仿真模型

由于该微带幅度均衡器应用于T/R组件中，所以要求其尺寸越小越好。我们采用两个相同尺寸的电阻加载支节谐振器，并且将谐振微带线与主传输线并行，从而减小了均衡器宽度。仿真时将它放在一个矩形空气腔中，仿真模型如图5所示。

3.2 仿真优化

均衡器的第一个设计要求是在工作频带内要满足预期的幅度衰减特性。以上的分析表明，通过改变短截线长度L、宽度W以及加载电阻R的大小就可以改变均衡器单元的谐振频率、插损曲线的曲率和衰减量的大小。图6～8为二阶均衡器不同谐振线长度L、不同谐振线长度W、不同衰减电阻值R下的衰减特性曲线(S21曲线)，其中微带长度L不包含加载电阻R的电长度L-R，微带谐振器电长度d=L+L-R。

均衡器的第二个设计技术要求是输入输出驻波要尽量小，匹配良好。即反射功率越小越好，能与其它部件相匹配。在设计时，我们采用两个相同的谐振衰减枝节，所以它们的回波特性是一样的，我们将两个枝节的间距设定为中心频率对应波长的一半，这样两个枝节的回波相差半个波长，从而可以相互抵消，从而减了回波损耗，即驻波减小。图8为在不同枝节间距d下均衡器的驻波特性曲线。