一种小型化Ka频段增益均衡器的设计

冯磊 魏立云 余承伟 武健

摘  要：文章提出并设计了一种小型化的Ka频段增益均衡器。基于高增益Ka频段宽带下变频组件产品平坦度指标优化的需求，选用高精度薄膜工艺技术，建立了陷波电路的分布式参数模型，使用电磁场仿真软件建立三阶电路平面结构模型，经过容差分析，确认了小型化均衡器的模型主要参数目标值。加工实现后制成的Ka频段均衡器的插入损耗为＜1 dB，正斜率均衡量＞6 dB，尺寸为＜12 mm×4 mm×0.254 mm，满足Ka频段下变频组件的使用需求，且加工精度高，指标一致性优良。

关键词：均衡器；小型化；薄膜；增益平坦度

中图分类号：TN715  文献标识码：A    文章编号：2096-4706（2023）10-0055-05

Abstract： This paper proposes and designs a miniaturized Ka-band gain equalizer. Based on the request of flatness index optimization of high-gain Ka-band broadband down-converter component products， it selects the thin film process technology with high-precision， establishes the distributed parameter model of notch circuit， and uses electromagnetic field simulation software to establish the planar structure model of third-order circuit. After the tolerance analysis， the target values of main parameters of the miniaturized equalizer model are determined. The insertion loss of the processed Ka-band equalizer is less than 1 dB， and the positive slope equalization is more than 6 dB. The size is less than 12 mm×4 mm×0.254 mm. The indicators above meet the use requirements of Ka-band down-converter components， with high precision accuracy and excellent index consistency.

Keywords： equalizer; miniaturization; thin film; gain flatness

0  引  言

在寬带的高增益变频系统中，常常会遇到工作频带内的信号平坦度问题。当接收下变频系统工作在宽频状态时，如果增益平坦度偏大，容易发生接收信噪比随频率或信道切换而恶化的情况，以至影响信号质量，严重时甚至可能导致接收信号失效[1]。增益均衡器是宽带射频接收系统中的重要组成部分。设计实现一种均衡量足够并易于一体化集成的小型化增益均衡器，是宽带变频组件研制工作面临的主要挑战之一。

薄膜工艺是较为成熟的工艺体系，其工艺制程中各类线条加工精细，定位精确，符合微波和毫米波电路的小型化设计要求[2]。

本文采用高精度的薄膜工艺设计实现了一种宽带Ka频段均衡器，满足适用于Ka频段四通道下变频组件的指标要求，验证了设计方法的可行性，并分析了仿真与实测结果。

1  理论分析

微波增益均衡器的主要作用是改善射频电路的增益平坦度指标。一般设计均衡器在工作频带内的增益变化趋势与系统均衡前的增益变化趋势形成互补，如图1所示，采用正斜率特性的增益均衡器配合原本是增益负斜率的系统，这样使得在系统链路加入该均衡器后能很好的补偿增益变化，从而使系统的增益平坦度满足通信要求[3]。值得注意的是，微波增益均衡器的斜率、均衡前系统增益平坦度的斜率不是固定的，可能随工作频率呈一定的变化趋势。事实上，模拟增益均衡器其增益变化趋势很难做到完全互补，在工程上一般只需要尽可能地提升系统增益平坦度指标即可。并且当一个非超宽带系统在工作频带内的增益平坦度达到10 dBp-p甚至更差时，首先应当考虑原系统中各功能单元的指标分配是否合理，而不是一味考虑使用增益均衡器来改善指标。

在增益均衡器研究中，通常从陷波器入手采用微波网络阻抗匹配的理论方法[4]进行分析。如图2所示，两个端口特性阻抗均为Z0，端口间加入由吸收电阻R与L、C串联而成的谐振电路。该谐振电路的阻抗为 。

根据电路拓扑形式，分析其阻抗矩阵可表示为 。根据二端口网络的散射矩阵与阻抗矩阵的关系，S11=[（Z11-Z0）（Z22-Z0）-Z12Z21]/ΔZ，S21=2Z21Z0/ΔZ。其中ΔZ=（Z11+Z0）（Z22+Z0）-Z12Z21。

将Z0和Z代入传输函数，推导可得：S21（ω）=2（1-ω2LC+jωRC）/[2（1-ω2LC+jωRC）+jωZ0C]，S11（ω）=jωZ0C/[2（1-ω2LC+jωRC）+jωZ0C]。

陷波器电路中，等效电感L与等效电容C决定了陷波谐振频率 ，吸收电阻R影响最大衰减量，二端口网络的功率损耗为 Ploss=1/2 | I 2 | R。

数个陷波电路级联时，其拓扑结构如图3所示。其中Z1、…Zm-1为级间匹配电路。假设Z1、…Zm-1可使各级陷波电路之间均达到输入输出匹配，此时多级陷波电路的散射参数 。因此多级陷波电路的频率响应曲线如图4所示。

通过组合适当的陷波电路，并通过匹配枝节调节级间阻抗匹配，可以得到所需的增益均衡器。

2  需求分析

变频链路中，每个元器件甚至传输线的增益（或插入损耗）均随工作频点的变化而有或高或低的变化趋势。根据表1整理的链路元器件选型，可知较多MMIC放大器在工作频带内随频率增加，增益逐渐变小，对于这种放大器芯片，一般称为负斜率的增益放大器。

从表1中可以看出，整条链路的增益平坦度预算约6 dB（负斜率），其中带内最低频点和带内最高频点分别对应增益最高点和增益最低点。

分析Ka频段四通道下变频组件的链路设计，有两种增益均衡器的选择方案，可以1）设计中频频段增益均衡器，置入中频链路；或者2）设计Ka频段增益均衡器，置入射频链路。若采用前一种方案，将增益均衡器后置于中频链路，增益均衡器的设计难度可能会降低，但由于变频组件的整体增益较高，中频链路的有源器件工作时接近其非线性区，工作频带内的动态范围随频率变化有较明显的浮动。因此均衡器后置的方案无法进一步改善由于增益平坦度引起的变频组件非线性失真。若采用第二种方案，增益均衡器设计难度稍高，并且引起变频组件的噪声系数增大。当射频前端组件的增益不足时，该方案可能对系统的噪声系数产生影响，显著降低接收灵敏度。因此，链路方案的确定必须结合系统指标分配情况与集成设计要求。

结合系统指标分配情况，射频前端组件增益较高，变频组件噪声系数指标的浮动不会对接收系统有明显影响。综合考虑微波元器件布局和低频控制电路布线，增益均衡器可放置在射频链路的两级增益放大器之间，该处位置能够放入设计尺寸约12.5 mm×4 mm的均衡器，且合理设计的均衡器能够调节前后级放大器的阻抗匹配，降低因失配而发生放大器自激的可能性。

综上，为优化Ka频段下变频组件的增益平坦度特性，需要设计一种增益均衡器，工作频率19～21 GHz，正斜率均衡量5～7 dB，工作频帶内插入损耗最小值低于1.5 dB，回波损耗低于-15 dB，尺寸优于12.5 mm×4 mm。

3  仿真设计

3.1  平面建模和仿真

设计采用三级陷波电路组合的拓扑形式。使用电磁仿真软件建立平面模型进行仿真。集总元件的寄生参数使其难以适用于微波频段的电路设计。因此陷波电路选择使用微带线形式实现。其中微带形式的开路枝节长度为λ/4[5]。在Ka频段，微带枝节等图形的尺寸精度对其谐振频率、通带插损、工作带宽有显著影响，因此选用精度高、可重复性强、稳定性好的薄膜工艺制备。与仿真模型如图5所示。

在电磁仿真软件中设置19 GHz、21 GHz处增益和工作频带的回波损耗目标值，经过优化仿真，得出符合期望要求的微带均衡器电路模型。平面电路模型仿真结果如图6所示。

19 GHz处插入损耗约7.26 dB，21 GHz处插入损耗约0.43 dB，均衡量约6.83 dB。

3.2  容差分析

在仿真建模时，为了简化设计流程，缩短计算时间，常常采用理想或简化的模型，不考虑工艺制程的加工精度和材料特性上的误差，造成了加工实物的测试结果与仿真计算结果存在一定偏差[6，7]。

本小节主要针对微带均衡器模型的各线条尺寸与均衡量、插入损耗等重点指标的关系展开分析，目的是找出较为敏感的关键尺寸，进行优化仿真以防止在同一个设计方案里出现过多的关键尺寸，并最终形成加工说明来指导工艺加工，保证加工的成品率[8，9]。

在仿真软件中，将上一节得到的二维模型中各参量逐个设置为优化项并仿真对比散射参数S21，找出了敏感关键尺寸。将模型再次优化迭代后，得出最终的关键尺寸，图7列出了其中两项关键尺寸L1、L2的容差分析结果。

按照薄膜工艺加工的规范要求，一般图形的尺寸公差最小可控制在±5 μm以内。当L1、L2的尺寸按上述精度浮动时，观察图7发现，增益均衡器指标特性有较明显的变化。L1、L2发生负公差偏移时，均衡量减小，带内最小插入损耗增大；L1、L2发生正公差偏移时，由于最小插损频点向低频偏移，均衡量和带内最小插入损耗均无明显变化，而在工作频带内较高频处增益补偿特性由正斜率变为负斜率。以上两种尺寸偏差均应尽可能避免或减小，故可将L1、L2设置为两项关键尺寸，在工艺加工时做出特殊标注。薄膜工艺通常可以将表面金属导带中关键图形的尺寸公差控制在±1.5 μm以内，从而保证制备得到的增益均衡器达到预期指标。

3.3  三维建模和仿真

将完成容差分析后得到的微带均衡器平面模型导入Ansys公司的HFSS电磁仿真软件中建立三维模型，如图8所示。介质材料选用厚度为0.254 mm的CoorstekAl2O3陶瓷基板，介电常数为9.9（±0.2），介质损耗角正切tanδ为0.000 2。导体材料选用厚度为0.004 mm的电镀金层，电阻材料选用50 Ω/□标准方阻的TaN薄膜电阻，调阻后电阻精度一般优于±1%。设置合理的边界条件和端口激励，进行全波电磁仿真。仿真结果如图9所示，与平面模型的仿真结果相近且满足指标预期。

4  加工比对

仿真完成后，进行了均衡器样品加工。其实测结果对比三维仿真结果如图9所示。分析其结果形成表2。微带均衡器的带内驻波特性优于-18 dB。19 GHz处插入损耗实测值为6.97 dB，仿真值为7.31 dB；21 GHz处插入损耗实测值为1.01 dB，仿真值为0.42 dB。实测其工作频带内的均衡量比仿真结果低0.93 dB。

由于增益均衡器的带内最小插入损耗和均衡量两项实测指标与仿真结果有一定偏差，可结合关键尺寸容差的相关结论进行分析。观察图7（b）（c）和图9（a），发现散射参数S21的实测曲线与容差分析中L1、L2偏离设定值的趋势较为相似，推测L1、L2的值可能存在偏差。使用三坐标测量仪对均衡器加工样品的关键尺寸进行测量，发现L1、L2同时发生负公差偏移。与容差分析的规律一致。

对比均衡器指标符合性表，设计的基于薄膜工艺的Ka频段微带增益均衡器在工作频带内的正斜率均衡量达到5.96 dB，工作频带内插入损耗最小值为1.01 dB，面积为12 mm×4 mm，符合指标需求，制备的Ka频段微带均衡器实物如图10所示。

该Ka频段增益均衡器装入变频组件后进行测试，宽带变频组件的带内增益平坦度结果达到1.7 dBp-p，优于指标要求的2.5 dBp-p，满足系统应用。虽然原变频组件的链路增益平坦度预算与增益均衡器的均衡量分别达到了-6 dB和+5.96 dB，从总量上相当，但两者在工作频带内其他频点处难以达到完全匹配，应是增益均衡器装入组件后未实现更低的增益平坦度的主要原因。

5  结  论

本文通过建立三级陷波器与匹配枝节级联的仿真模型，设计了一种用于高增益宽带变频组件的Ka频段微带增益均衡器，并针对薄膜工艺要求进行了容差分析。这种微带均衡器设计和分析方法具有建模方便、迭代迅速的特点，在其他微波毫米波无源器件的小型化设计中也可参考借鉴。

参考文献：

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[5] POZAR D M.微波工程：第3版 [M].张肇仪，周乐柱，吴德明，等译.北京：电子工业出版社，2009：228-238.

[6] 夏祖学，何坤林，何杨.2～6 GHz宽带微带均衡器设计与实现 [J].西南科技大学学报，2020，35（1）：70-74.

[7] 董宇亮，王腾，张帆.一种宽带低驻波功率均衡器 [J].成都信息工程学院学报，2015，30（3）：215-218.

[8] 郑小雨，菅春晓，刘洛琨，等.微带功率均衡器设计研究 [J].雷达科学与技术，2015，13（5）：543-548.

[9] 王国栋，华伟.一种宽带小型化微波增益均衡器设计 [J].四川大学学报：自然科学版，2014，51（4）：764-768.

作者简介：冯磊（1987—），男，汉族，河北石家庄人，工程师，学士，研究方向：微系统技术与微波电路；魏立云（1988—），男，汉族，河北衡水人，工程师，学士，研究方向：微系统技术与微波电路；余承伟（1984—），男，汉族，河南信阳市，高级工程师，硕士，研究方向：卫星通信与微波电路；武健（1986—），男，汉族，河北石家庄人，高级工程师，硕士，研究方向：卫星通信与微波电路。