一种紧凑微带增益均衡器的仿真和设计

李　光

(中国西南电子技术研究所，　成都 610036)



一种紧凑微带增益均衡器的仿真和设计

李光

(中国西南电子技术研究所，成都 610036)

为补偿宽带收发前端幅频响应不平坦的缺点，基于薄膜工艺，设计了一种结构紧凑的微带增益均衡器。设计中综合考虑了幅频响应均衡要求及阻抗匹配等因素，在薄膜电阻(加载在谐振枝节上的吸收结构)与主传输线之间增设了高阻微带线，以减小对阻抗匹配的恶化。为了便于小型化集成，高阻微带线弯曲成S形，开路微带枝节弯曲成U形，均衡器垂直主线方向的长度仅为原来的44%。实物测试在24.6GHz～26.7GHz频带内，回波损耗小于-17.4dB，均衡量约为-6dB，与仿真结果相符度良好，证明此设计方法可靠实用。

均衡器；薄膜；紧凑；幅度均衡

0　引　言

微波固态电路具有效率高、工作电压低、性能稳定、寿命长、可靠性高、体积小、重量轻便于集成等多种突出优点，在卫星通信、相控阵雷达、电子对抗和其他要求小型化的弹载和机载应用系统中展现了广泛的应用前景[1-2]。在宽带收发前端设计中，特别是总增益较高的发射前端中需要集成多级放大器、混频器和滤波器等器件。由于在工作频带内可选器件增益存在差异的固有特性和加工工艺的局限性，多级累加后，往往造成整个前端在工作频带内增益波动过大，不能满足带内增益平坦度的要求，给应用带来诸多不便。在宽带收发前端中添加合适的增益均衡器可以有效地解决该问题。增益均衡器提供一个与原宽带收发前端特性相反的衰减曲线，以补偿其本身波动的幅频响应，综合得到较平坦的带内增益[3-4]。

本文根据宽带收发前端(无均衡器)实际频响曲线及增益平坦度指标要求，应用ADS和HFSS进行仿真优化，设计了一薄膜电阻加载的微带谐振枝节组成的均衡器。

1　均衡器理论

增益均衡器主要有集总参数型、同轴型、波导型、集成传输线型四种。集总参数型受元器件的寄生参数的影响，一般只能用于低频段；同轴型和波导型适用于大功率高频段的应用，但质量和体积较大，不利于系统集成；集成传输线型均衡器以体积小、质量轻、结构简单、加工方便和成本低得到广泛应用，其多以适用于宽带均衡网络设计的电阻加载微带枝节型均衡器为主[5-7]

图1　谐振单元及等效电路模型

增益均衡器的谐振单元由开路微带线及薄膜电阻构成，如图1a)所示，而微带线的传输模式为准TEM模，所以可以用传输线理论来分析。单一枝节的加载薄膜电阻的开路短截线可以等效为RLC(电阻、电感、电容)串联谐振回路[8]，如图1b)所示。依据微波网络理论[9]，该等效电路的传输系数为

(1)

幅频响应曲线如图2所示，可见谐振单元本质上就是陷波器，调整L或C的元件参数可调节其谐振中心频率，调整R的元件参数可以改变陷波器的Q值，从而调整最大衰减及带宽。

图2　幅频响应

当输入输出匹配的多级谐振单元级联起来，网络的综合幅频响应为

(2)

根据级数理论上，可以用不限个数的陷波器来拟合任意的相对响应波形(不计绝对插损值)[10]。

2　均衡器仿真与优化

因为工作频带位于选用器件的工作频带的下边沿，宽带收发前端实际幅频响应低端增益低，高端增益高。在24.6GHz～26.7GHz频带内，增益差值约为5dB。

基片介电常数较大，可相对缩短微带线的长度。为便于集成，缩小电路尺寸，选用了相对介电常数为9.7、厚度为0.254mm的氧化铝介质作为基片。选用了对称双枝节的拓扑结构，双枝节之间的主传输线电长度约为半波长。如图3所示，在仿真软件ADS进行原理图建模，以频带内均衡要求及输入输出驻波特性作为目标，以双枝节间的主传输线宽度、长度、薄膜电阻与主线之间高阻线的长度、薄膜电阻之后的开路线长度为主要优化变量，应用ADS内置工具进行优化，初步确定电路各部分结构的尺寸初值。

图3　ADS原理图模型

薄膜电阻直接加载在主传输线上，会使得电路的驻波特性变差，不仅恶化了输入输出匹配特性，也引入了较大的高端插损。设计中考虑了幅频响应均衡目标及阻抗匹配等要求，在薄膜电阻与主传输线之间增设了高阻线。增益均衡器的外形长宽比越接近1，且所占面积越小，对小型化集成及组装可靠性越有利。但当微带线之间的缝隙过小时，线间耦合会影响均衡器性能，加大了设计难度及均衡器的加工精度要求。综合上述因素，本文对作为陷波单元的枝节谐振器进行了适当弯曲。

优化结果如图4所示，其中，实线为插损曲线，以左侧的纵轴坐标；虚线为回波损耗曲线，应用右侧的纵轴坐标(后续结果图示也为此格式)。回波损耗优于-18dB，均衡量约为4.2dB。

图4　优化结果

ADS原理图仿真未充分考虑微带传输线间的耦合影响，当传输线之间的间距较小时，其仿真结果可能与实际情况有很大的差别。因此，将原理图转化为电路版图，如图5所示。设置好基片参数(厚度、介电常数等)、薄膜电阻参数及仿真参数，进行momentum仿真，根据仿真结果及设计目标对各个尺寸进行微调迭代。枝节的长度主要影响谐振频率，越短谐振频率越高。枝节宽度主要影响Q值和谐振频率，越宽则Q值越大，谐振频率往低端偏移，插损增大；薄膜电阻的长度影响与枝节长度影响基本相同，而阻值主要影响均衡器的Q值，阻值越大，Q值越大。经过若干次迭代仿真，得到如图6所示的均衡曲线及回波损耗。均衡量约为-4.1dB，回波损耗小于-20dB。

图5　momentum仿真模型

图6　momentum仿真结果

Momentum仿真是2.5维的仿真，其速度较三维场仿真要快，但精度稍差。为保证设计准确性，投图加工前在三维场仿真软件HFSS中进行参数化建模仿真进行验证。模型如图7所示，仿真结果如图8所示，带内回波损耗小于-20dB，与momentum仿真结果基本相同，而均衡量为-5.2dB，比momentum仿真结果大了1dB。

图8　HFSS仿真结果

如图9a)所示，本文中将高阻微带线弯曲成S形，薄膜电阻之后的开路微带线弯曲成U形。图9b)为不弯曲状态的均衡器，与之对比，均衡器的垂直于主线方向的长度仅为原来的44%，长宽比由2.3优化为了1.0。

图9　外形对比(mm)

3　实物测试

投图加工后，均衡器在显微镜下的放大照片实物如图10所示，其尺寸为2.9mm× 3.7mm。将均衡器装配到测试载台上后用矢量网络分析仪进行测试，测试装夹如图11所示，实测结果如图12所示。在工作频带内，回波损耗小于-17.4dB，均衡量约为-6dB，比HFSS仿真结果大了1dB，插损值大了约1.6dB。扣除测试台及测试转接件的损耗，插损与仿真结果基本相符。而回波损耗和均衡量的差别主要是因为：1)测试台匹配有限，带来测量误差；2)电路加工精度影响。均衡器实测结果已满足工程实际需要，装配在宽带收发前端内部之后，其幅频响应带内波动特性明显改善。

图10　显微镜下放大均衡器照片

图11　均衡器测试

4　结束语

本文基于薄膜工艺，设计制造了一种结构紧凑的微带增益均衡器。设计中综合考虑了幅频响应均衡要求及阻抗匹配等因素，在薄膜电阻(加载在谐振枝节上的吸收结构)与主传输线之间增设了高阻微带线，以减小对阻抗匹配的恶化。高阻微带线弯曲成S形，薄膜电阻之后的开路微带线弯曲成U形，本文中的均衡器谐振枝节长度仅为不弯曲状态的44%，长宽比由2.3优化为1.0，使得结构更为紧凑，更便于小型化集成。均衡器实物测试结果在24.6GHz～26.7GHz频带内，回波损耗小于-17.4dB，均衡量约为-6dB，与仿真结果相符度良好，证明了此设计方法可靠实用。

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李光男，1981年生，硕士，工程师。研究方向为微波/毫米波信道技术。

SimulationandDesignofCompactPlanarGainEqualizer

LIGuang

(SouthwestChinaInstituteofElectronicTechnology,Chengdu610036,China)

Acompactmicrostripgainequalizerisproposedforcompensatingtheunacceptableflatnessofbroadbandtransceiver,whichisbasedonthinfilmtechnology.Theinfluenceofequalizingfactorandimpedancematchingarealsotakenintoaccount.Highresistancemicrostriplineisaddedbetweenfilmresistor(loadedinresonatorsasabsorber)andmainmicrostriplinetominimizetheimpedancematchingdeterioration.Inordertomakethecircuitcompactandminiaturizedeasily,highresistancemicrostriplineisbentintoSformandopenmicrostripstubisbentintoUform.Thelenghthperpendiculartomainlineisonly44%ofthestraightoriginal.Theexperimentalresultsshowthattheequalizermeasuredachievedagainequalizingfactorover-6dBandareturnloss-17.4dBin24.6GHz～26.7GHz,whichisconsistentwithsimulationresults.It′sprovedthatthemethodisreliableandpractical.

equalizer;thinfilm;compact;amplitudeequalization

李光Email：plumray@163.com

2016-01-15

2016-03-18

TN715

A

1004-7859(2016)06-0059-04

·天馈伺系统·DOI：10.16592/j.cnki.1004-7859.2016.06.014