一种用于射频电路优化的腔体可调盖板*

顾海光，彭珍妮

(1.南京爱立信熊猫通信有限公司，江苏 南京 211100；2.南京航空航天大学无人机院，江苏 南京 210016)



一种用于射频电路优化的腔体可调盖板*

顾海光1，彭珍妮2

(1.南京爱立信熊猫通信有限公司，江苏 南京 211100；2.南京航空航天大学无人机院，江苏 南京 210016)

摘要：用于电磁屏蔽的金属盖板，可能使原本匹配好的射频电路在腔体效应的影响下性能恶化。通过对腔体场分布图的分析，提出了一种腔体可调盖板。结合相关文献，计算出对腔体效应影响最明显的位置，在盖板上安装优化过的调谐螺钉。通过调整调谐螺钉和介质板之间的缝隙，改变腔体效应的影响。对于功率放大电路，可以改变腔体的谐振频率，提高功放的稳定系数。对于环形器电路，可以改善敏感电路的匹配，提高射频性能。微波组件的批量生产过程中，不同批次之间的元器件性能的差异，也可通过可调盖板来进行调整，降低生产过程中的调试工作量，提高产品的可靠性。

关键词：腔体；可调盖板；螺钉；谐振频率

微波组件为了屏蔽干扰，会在印制板上加上金属盖板。在做好严密的屏蔽防护后，任何一款电子产品都必须通过电磁兼容(EMC)测试。对于低频电路，腔体基本不会影响性能。但是对于射频电路，不合适的金属盖板却会影响产品的性能。

理论上要求腔体的尺寸明显小于四分之一波长才不会对电路产生影响。这对射频电路设计明显是不现实的。盖上盖板后，会改变电磁场分布，这会影响到在敞开环境下匹配好的电路。对于功率放大器(PA)，腔体效应会影响稳定系数，严重的时候还会引起自激。对于环形器电路，环形器的三个端口各自连接天线、接收电路(RX)、发射电路(TX)，且3端口间相互关联，也容易受到腔体效应的影响。

通过调整盖板[1]，可以明显改善腔体影响，但这种设计很难照顾到长时间生产过程中元器件批次性能变化带来的失配。参考腔体滤波器的设计，提出的腔体可调盖板可以满足这一要求，文献[2]中采用MEMS工艺设计的可调盖板性能优秀，但是控制复杂，成本高。

1可调盖板的设计

1.1腔体分析

对于如图1所示的金属腔体，对应不同模式的谐振频率可由式(1)求得：

(1)

其中，m,n,l代表在x,y,z轴方向上的驻波模数，μr和εr分别是腔体介质的磁导率和电导率，c是光速。

基于对腔体电磁场分布分析和理论推导[3，4]，可以知道盖板上的一些特定位置是对腔体谐振影响最明显的组合，这就给调整控制腔体效应提供了依据。

图1　金属腔尺寸示意图

1.2调谐螺钉的设计

在金属盖板上的敏感位置安装调谐螺钉[5]，通过调整螺钉与电路板之间的间隙，可以调整调谐螺钉的容值和感值。调谐螺钉和底板之间的缝隙越小，等效电容越大；调谐螺钉和底板之间的缝隙越大，等效电容越小。螺钉的工艺可参照成熟的腔体滤波器调谐螺钉设计。

为了增强调谐螺钉对腔体的影响，且不影响介质板上其他元器件，可以部分增加螺钉面积。经过HFSS仿真验证，可以明显增强对电路的影响。

2电路验证

2.1腔体可调盖板在PA的验证

PA是无线通信系统和雷达的重要部件。主要指标有增益，工作频率和带宽，效率，峰均比(PAR)，领道泄漏比(ACPR)，1 dB功率压缩点，三阶交截点功率等。功放稳定是保证以上指标的基本要求。

稳定性取决于晶体管的S参数。在给定频率范围内绝对稳定的条件是稳定系数(Stab-fact)>1。

(2)

图2所示功放工作在2.47 GHz～2.53 GHz，增益17.5 dB，输出平均功率5 W(37 dBm)，峰均比7 dB时，效率44.8%。工作在屏蔽金属腔体(400 mm×600 mm×10 mm)内的增益和稳定性系数如图3所示。频率低于2.3 GHz时的稳定系数小于1，这表示功放在这段频率区间内有可能自激。

图2　功率放大器原理图

图3　腔体内功放增益和稳定系数

为了改善功放的性能，在腔体盖板上如图4所示位置加入半径3 mm的调谐螺钉，并通过在调谐螺钉底部向上2 mm的地方增加一个半径6 mm的金属盘，来加强调谐螺钉的影响。结构如图4所示。

图4　调谐螺钉安装示意图

当Gap1调整到3 mm，Gap2调整到7 mm的时候，整个带内功放的稳定系数如图5所示，都提高到了1.1以上。大大改善了腔体内功放的稳定性，提高了产品的可靠性。

图5　改善后的稳定性系数

2.2腔体可调盖板对环形器电路的验证

环形器普遍应用在TD(时分收发)系统中，作为收发隔离的重要器件。如图6所示，射频信号从发射电路(TX)进入环形器(端口3到端口1)到腔体滤波器(FU)到天线。接收信号从天线进入FU经过环形器(端口1到端口2)到接收电路(RX)。

图6　环形器在时分系统中的连接

作为收发隔离的单向传输器件，环形器的主要指标有顺向传输的插入损耗和反向的相邻端口的隔离度，以及3个端口的反射系数。供应商在测试这些指标的时候都是在良好匹配的情况下测试的。而实际工作环境中，各电路的工作状态都不是理想匹配，而环形器工作特性是三个端口互相影响的平衡式器件。除了通过监测输出功率和接收增益来监测环形器的插损指标外，端口1的回波损耗(RL，return loss)也是可以非常方便地监测环形器电路是否正常的重要指标。

图6的环形器腔体结构复杂，此处根据实际情况只能插入一个调谐螺钉。随着螺钉高度的从低到高，端口1的RL最优点也从低频往高频偏移。如图7所示。腔体效应容易造成环形器指标的频段偏移，通过调谐螺钉，可以方便地进行调整，减小调试的工作量。

图7　端口RL随调谐螺钉缝隙高度变化结果

3结论

本文提出了一种用于射频电路优化的腔体可调盖板。

通过理论分析得出腔体效应对电路的影响可以通过调谐螺钉加以修正。如何合理、高效地修正是本文的重点。通过找到对腔体谐振影响最明显的位置，在这些位置上安装优化过的调谐螺钉，从而达到修正腔体效应的效果。这种方法还可以对批量生产过程中，各不同批次的器件间的差异性导致的失配进行调整。这种调整方法简单、高效，提高了调试效率。

参考文献

[1]Samh KHEMIRI,Ramanujan Abhishek,Moncef KADI.Estimation of the Electromagnetic Field Radiated by a Microwave Circuit Encapsulated in a Rectangular Cavity[C].Electromagnetic Compatibility (EMC),2011 IEEE International Symposium,IEEE,2011:196-201.

[2]Yuhao Liu,Anand A,Xiaoguang Liu.Design of Low Phase-Noise Voltage-Controlled Oscillator Using Tunable Evanescent-mode Cavity[C].Radio and Wireless Symposium(RWS),IEEE,2014:82-84.

[3]Guang-Tsai Lei,Robert W,Techentin,et al.High-Frequency Characterization of Power/Ground-Plane Structures[J].IEEE Trans.Microwave Theory Tech,1999,47:562-569.

[4]汪邦金，胡善祥.一体化高功率微波组件内部的电磁兼容分析[J].雷达科学与技术,2007,5(5):390-393.

[5]Kurudere S,Erturk V B.Novel Microstrip Fed Mechanically Tunable Combline Cavity Filter[J].IEEEMicrowave and Wireless Components Letters,2013,23:578-580.

收稿日期：2015-12-23

基金项目：国家自然基金资助(NO.61471191,No.61501233)

作者简介：顾海光(1982- )，男，江苏南京人，工程师，工学硕士，研究方向为微波射频电路。

文章编号：1674- 4578(2016)02- 0028- 02

中图分类号：TN811

文献标识码：A

Cavity Tunable Cover for the Improving of RF Circuit Performance

Gu Haiguang1, Peng Zhenni2

(1.NanjingEricssonPandaCommunicationCompany,NanjingJiangsu211100,China；2.UAVInstituteofNanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,NanjingJiangsu210016,China)

Abstract:Metal shielding covers are used to prevent the radiations and provide immunity to the printed boards. But well-matched RF circuits would be interfered by the cavity effect. Here the cavity model is setup to analyze the cavity effect and the tunable cover is proposed. Calculation and simulations indicate that some locations can significantly suppress the cavity effect. After adding screws, the cavity effect can be modified by tuning the gap between screw and PCB. For the PA circuit, it could adjust the cavity resonant frequency and improve the stable factor. For circulator circuit, it could improve the match between sensitivity components. Tunable cover could also compensate the performance jitter between different batches during the long time production. It would reduce the tuning work load and increase the product reliability during volume production.

Key words:cavity; tunable cover; screw; resonant frequency