小型化毫米波增益均衡器的仿真设计

王 璇,纪学军,姜海玲

(中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄050081)

0 引言

信号在传输的过程中可能会出现幅度畸变和相移畸变。为了保证传输的质量,畸变大小应受到限制。通常是通过均衡网络来进行校正。校正幅度畸变的工作原理是使信号在畸变之前或之后经过一个均衡网络,这个网络的特性恰好与信号的幅频特性相反,这样就可以使信号不发生幅度畸变,插入的这个网络就是增益均衡器。增益均衡器主要技术要求有2:①在工作频带内要有符合要求的增益衰减曲线;②输人输出驻波要尽量小,即反射功率越小越好,与外部电路相匹配[1]。

传统的毫米波均衡器结构形式中主传输线大多采用矩形波导,但随着毫米波接收前端集成方式的改变以及小型化的发展趋势,波导结构渐渐不能满足使用需求,所以渐渐被微带结构所代替。对于有耗的增益均衡网络,必然需要电阻来吸收能量来降低反射功率,一般在比较低的频率可以采用集总电阻实现,但到了毫米波,一方面集总电阻的体积过大,另一方面随着频率的增加其寄生效应影响变大,而又无法精确的进行设计,所以限制了增益均衡器在宽带小型化接收前端的应用。

使用ADS与HFSS优化仿真的设计方法,选用陶瓷基片和薄膜电阻实现了用于毫米波频段的宽带小型化增益均衡器。

1 增益均衡器基本理论与陷波单元

1.1 增益均衡器的基本原理[1]

陷波器是增益均衡器的基本组成单元,它具有一种类似“倒钟型”的响应,由R、L和C组成的一种简单的接地串联回路,L、C决定了其谐振频率,而R决定了谐振回路的Q值,即陷波器的最大衰减值及波形的宽窄,其S21为:

当多个类似电路级联起来时,可求出其T矩阵为:

然后由T矩阵与S矩阵的关系为:

如果每一级陷波器的输入输出都是匹配的,则可以证明级联网络的S21写为:

写成插入衰减的形式为:

式中,可以看成是以陷波器响应作为基函数的某个响应波形的级数展开。根据级数展开理论,用无数多的陷波器响应总可以合成任意的响应波形。因此可以设想以对地串联谐振陷波单元为基础,选择适当的谐振频率,Q值以及级联数目,就可以逼近我们需要的任意均衡响应。

1.2 利用微带实现的陷波器单元及其特性

对于微波、毫米波使用的增益均衡器,需要采用分布参数电路来实现这种陷波器单元,根据经典的传输线理论,一段终端短路或者开路传输线,其输入阻抗和输入导纳为:

式中,一段短截线的输入阻抗为纯虚数,随着长度的变化,短截线可以表现为感性、并联谐振、容性和串联谐振等特性。实际上一段长 λ/4的终端开路线或一段长 λ/2的终端短路线都等效为一个串联谐振回路,但这样结构的微带谐振回路,损耗很小,可以看作是无耗的。图1为加载电阻的陷波器原理电路。

图1 2种加载电阻的陷波器模型

实际使用的陷波器要求其中要有一个电阻 R来调节谐振回路的Q值,从而调节衰减量和输入输出驻波。当在上述传输线网络中加上适当的损耗电阻时,就可以在中心频率附近得到陷波器的响应。控制加载电阻R可以控制Q值,而控制微带短截线的长度可以控制枝节的谐振频率,宽度可以对谐振频率和Q值进行微调,具体关系如表1所示。

表1 调节谐振单元各变量对各项指标的影响

通过以上分析可知,可以将这样的微带陷波器通过适当的级联来实现“倒钟型”响应增益均衡器。

2 平面结构增益均衡器的设计

由于均衡器本身的均衡特性具有任意性,因此其综合方法还没有成熟的理论支撑。目前常用的方法有网络综合法和计算机优化法。网络综合法主要有经典的达林顿网络综合法和主要用于宽带匹配的实频数据法,但这2种方法设计出来的是无耗网络,这与实际应用的情况不符。通过Smith圆图可以方便的得到有耗网络,但它是窄带的对于宽带应用来说,它需要设计者有丰富的经验,并不是一个适合应用于宽带均衡器的方法。

直接优化是一种设计增益均衡器的有效方法,它以微带增益均衡器可能的电路拓扑为基础,通过计算机优化方法来逼近要求的均衡响应。它虽然对电路的限制比较多(仅能使用事先指定的某些电路形式),可能无法得到最好的电路拓扑,但它是一种快速、有效实现响应目标的方法,而且需要的人工干预较少,使设计人员能够将精力放到对电路结构的创新上。

2.1 优化方法的仿真设计模板

利用仿真优化的方法实现增益均衡器的关键在于建立一种比较合理的电路模板。理论上采用增加或减少谐振器、更改元件参数等方法,可以获得任意的响应。但具体实现时,由于损耗的存在,使谐振器的Q值不可能做到很大,另外考虑到小型化的问题,也不可能采用任意多的谐振器,通常使用2～4个即可[2]。

为了使均衡器在系统中能够正常工作,必须使得均衡器的回波损耗尽可能得小,所以在均衡器的输入、输出端还应引入匹配电路。

综上所述,可以得到用于优化的微带均衡器模板如图2所示。电路模板分为3个部分:枝节谐振器、级间匹配和输入输出匹配电路。陷波单元的数目可以根据具体情况进行调整。

图2 用于优化设计的微带增益均衡器模板

2.2 优化方法的设计步骤

有了合适的陷波器单元和均衡器模板,根据设计步骤就可以很方便地设计出所需的增益均衡器,具体步骤如下:

①有理论或实测数据得到所需要的均衡特性并选择关键的均衡点;

②确定陷波单元的工作频率并对单个陷波单元进行独立全波仿真设计;

③根据所需特性选择陷波单元个数并建立ADS模型;

④将初值代入ADS模型中并对整个电路进行优化;

⑤采用HFSS进行全波仿真验证ADS优化结果是否满足均衡要求;

⑥判断,如果满足要求即可加工制作,如不满足要求微调模型并回到步骤②。

3 毫米波小型化增益均衡器

3.1 小型化的实现方法

一般的高频介质基片(如Duroid 5880)无法用来实现毫米波增益均衡器,一方面加工精度无法保证,另一方面加载电阻也难以实现。采用陶瓷基片及薄膜电阻是一个比较好的选择。

薄膜电路能够加工出的最小线宽和缝隙可达18 μ m或更小,加工精度达到 μ m量级,并且由于陶瓷基片具有比较高的介电常数εT=9.8,使得确定电尺寸的微带线实际的物理尺寸比较小,能够适应小型化的需求。

薄膜电阻实际上是由电阻层(氮化坦TaN)和支持层(钛钨TiW)组成,标准方阻为 50 Ω每平方,可通过设计电阻的长宽得到所需的阻值为:

由于工艺原因加工出的薄膜电阻阻值可能同设计值有些差别(误差±10%以内),但由前面的分析可知,电阻主要是用来调节陷波器的均衡量,并且电阻值越小,能够获得的均衡量越大。而实际应用中通常都需要陷波单元有比较大的均衡量,因此电阻值也就设计得比较小(通常都小于50 Ω),通过仿真发现相应的误差对于整体电路的影响可以忽略。

3.2 设计指标与ADS仿真模型

这里设计的增益均衡器主要用来补偿宽带毫米波接收前端中2级低噪声放大器(LNA)级联的增益不平坦性,低噪声放大器为Mimix的XL1000-BD,单级的测试结果表明该放大器在Ka频段增益从低频到高频呈线性减少,具体数据和所需的增益均衡器设计指标列表如表2所示。并要求在整个频段内的S11≤-10 dB。补偿后增益平坦度达到±1 dB。

表2 根据实际需要选择的增益均衡器衰减指标

通过对单个陷波单元的设计,确定由4个陷波单元级联来达到大约20 dB的均衡量,并且考虑到实际应用中腔体的宽度只有3.1 mm,因此为了减小均衡器的横向尺寸采用了弯曲的谐振枝节。

3.3 全波仿真与实测结果

将由ADS优化得到的结构参数通过HFSS建模进行三维全波仿真的验证,版图如图3所示。得到的测试结果如表3所示。

图3 增益均衡器的版图

表3 功率均衡器的测试结果

实测结果与设计仿真结果基本一致,并达到了设计指标要求。但是由于测试与组装原因导致几个频率点的驻波特性不好,所以均衡曲线在Ka频带高端有几个传输的吸收点,但是增益波动并不很大,大约0.5dB。这可以通过改善测试方法来解决。

最终设计加工出的毫米波增益均衡器体积为5 mm×2.9 mm×0.254 mm,达到了小型化的要求,最大均衡量达到了20 dB,Ka全频段S11优于8 dB,与2级低噪声放大器级联后获得了小于2 dB的增益平坦度。

4 结束语

将增益均衡器用在宽带的毫米波接收前端当中,用来代替衰减器改善平坦度指标。讨论了增益均衡器的基本原理,基本陷波单元的构成形式以及其特性。对增益均衡器的设计方法进行了详细的阐述,并给出了一般的设计步骤。介绍了采用陶瓷基片与薄膜电阻相关内容,设计出了一个Ka频段宽带增益均衡器,说明了设计方法的可行性与准确性。

[1]RUIMIN XU,BO YAN,MENGGUO YU,et al.Research on the Millimeter Wave Power Equalizer[M].Microwave,Antenna,Propagation and EMC Tech-nologiesfor Wireless Communications,2007:446-449.

[2]张 勇,薛 凯.高均衡量微带宽带功率均衡器[J].强激光与粒子束,2008(7):1148-1150.