一種用于射頻電路優(yōu)化的腔體可調(diào)蓋板*

顧海光，彭珍妮

(1.南京愛立信熊貓通信有限公司，江蘇 南京 211100；2.南京航空航天大學(xué)無人機(jī)院，江蘇 南京 210016)

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一種用于射頻電路優(yōu)化的腔體可調(diào)蓋板*

顧海光1，彭珍妮2

(1.南京愛立信熊貓通信有限公司，江蘇 南京 211100；2.南京航空航天大學(xué)無人機(jī)院，江蘇 南京 210016)

摘要：用于電磁屏蔽的金屬蓋板，可能使原本匹配好的射頻電路在腔體效應(yīng)的影響下性能惡化。通過對腔體場分布圖的分析，提出了一種腔體可調(diào)蓋板。結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)，計算出對腔體效應(yīng)影響最明顯的位置，在蓋板上安裝優(yōu)化過的調(diào)諧螺釘。通過調(diào)整調(diào)諧螺釘和介質(zhì)板之間的縫隙，改變腔體效應(yīng)的影響。對于功率放大電路，可以改變腔體的諧振頻率，提高功放的穩(wěn)定系數(shù)。對于環(huán)形器電路，可以改善敏感電路的匹配，提高射頻性能。微波組件的批量生產(chǎn)過程中，不同批次之間的元器件性能的差異，也可通過可調(diào)蓋板來進(jìn)行調(diào)整，降低生產(chǎn)過程中的調(diào)試工作量，提高產(chǎn)品的可靠性。

關(guān)鍵詞：腔體；可調(diào)蓋板；螺釘；諧振頻率

微波組件為了屏蔽干擾，會在印制板上加上金屬蓋板。在做好嚴(yán)密的屏蔽防護(hù)后，任何一款電子產(chǎn)品都必須通過電磁兼容(EMC)測試。對于低頻電路，腔體基本不會影響性能。但是對于射頻電路，不合適的金屬蓋板卻會影響產(chǎn)品的性能。

理論上要求腔體的尺寸明顯小于四分之一波長才不會對電路產(chǎn)生影響。這對射頻電路設(shè)計明顯是不現(xiàn)實(shí)的。蓋上蓋板后，會改變電磁場分布，這會影響到在敞開環(huán)境下匹配好的電路。對于功率放大器(PA)，腔體效應(yīng)會影響穩(wěn)定系數(shù)，嚴(yán)重的時候還會引起自激。對于環(huán)形器電路，環(huán)形器的三個端口各自連接天線、接收電路(RX)、發(fā)射電路(TX)，且3端口間相互關(guān)聯(lián)，也容易受到腔體效應(yīng)的影響。

通過調(diào)整蓋板[1]，可以明顯改善腔體影響，但這種設(shè)計很難照顧到長時間生產(chǎn)過程中元器件批次性能變化帶來的失配。參考腔體濾波器的設(shè)計，提出的腔體可調(diào)蓋板可以滿足這一要求，文獻(xiàn)[2]中采用MEMS工藝設(shè)計的可調(diào)蓋板性能優(yōu)秀，但是控制復(fù)雜，成本高。

1可調(diào)蓋板的設(shè)計

1.1腔體分析

對于如圖1所示的金屬腔體，對應(yīng)不同模式的諧振頻率可由式(1)求得：

(1)

其中，m,n,l代表在x,y,z軸方向上的駐波模數(shù)，μr和εr分別是腔體介質(zhì)的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率，c是光速。

基于對腔體電磁場分布分析和理論推導(dǎo)[3，4]，可以知道蓋板上的一些特定位置是對腔體諧振影響最明顯的組合，這就給調(diào)整控制腔體效應(yīng)提供了依據(jù)。

圖1　金屬腔尺寸示意圖

1.2調(diào)諧螺釘?shù)脑O(shè)計

在金屬蓋板上的敏感位置安裝調(diào)諧螺釘[5]，通過調(diào)整螺釘與電路板之間的間隙，可以調(diào)整調(diào)諧螺釘?shù)娜葜岛透兄?。調(diào)諧螺釘和底板之間的縫隙越小，等效電容越大；調(diào)諧螺釘和底板之間的縫隙越大，等效電容越小。螺釘?shù)墓に嚳蓞⒄粘墒斓那惑w濾波器調(diào)諧螺釘設(shè)計。

為了增強(qiáng)調(diào)諧螺釘對腔體的影響，且不影響介質(zhì)板上其他元器件，可以部分增加螺釘面積。經(jīng)過HFSS仿真驗證，可以明顯增強(qiáng)對電路的影響。

2電路驗證

2.1腔體可調(diào)蓋板在PA的驗證

PA是無線通信系統(tǒng)和雷達(dá)的重要部件。主要指標(biāo)有增益，工作頻率和帶寬，效率，峰均比(PAR)，領(lǐng)道泄漏比(ACPR)，1 dB功率壓縮點(diǎn)，三階交截點(diǎn)功率等。功放穩(wěn)定是保證以上指標(biāo)的基本要求。

穩(wěn)定性取決于晶體管的S參數(shù)。在給定頻率范圍內(nèi)絕對穩(wěn)定的條件是穩(wěn)定系數(shù)(Stab-fact)>1。

(2)

圖2所示功放工作在2.47 GHz～2.53 GHz，增益17.5 dB，輸出平均功率5 W(37 dBm)，峰均比7 dB時，效率44.8%。工作在屏蔽金屬腔體(400 mm×600 mm×10 mm)內(nèi)的增益和穩(wěn)定性系數(shù)如圖3所示。頻率低于2.3 GHz時的穩(wěn)定系數(shù)小于1，這表示功放在這段頻率區(qū)間內(nèi)有可能自激。

圖2　功率放大器原理圖

圖3　腔體內(nèi)功放增益和穩(wěn)定系數(shù)

為了改善功放的性能，在腔體蓋板上如圖4所示位置加入半徑3 mm的調(diào)諧螺釘，并通過在調(diào)諧螺釘?shù)撞肯蛏? mm的地方增加一個半徑6 mm的金屬盤，來加強(qiáng)調(diào)諧螺釘?shù)挠绊?。結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　調(diào)諧螺釘安裝示意圖

當(dāng)Gap1調(diào)整到3 mm，Gap2調(diào)整到7 mm的時候，整個帶內(nèi)功放的穩(wěn)定系數(shù)如圖5所示，都提高到了1.1以上。大大改善了腔體內(nèi)功放的穩(wěn)定性，提高了產(chǎn)品的可靠性。

圖5　改善后的穩(wěn)定性系數(shù)

2.2腔體可調(diào)蓋板對環(huán)形器電路的驗證

環(huán)形器普遍應(yīng)用在TD(時分收發(fā))系統(tǒng)中，作為收發(fā)隔離的重要器件。如圖6所示，射頻信號從發(fā)射電路(TX)進(jìn)入環(huán)形器(端口3到端口1)到腔體濾波器(FU)到天線。接收信號從天線進(jìn)入FU經(jīng)過環(huán)形器(端口1到端口2)到接收電路(RX)。

圖6　環(huán)形器在時分系統(tǒng)中的連接

作為收發(fā)隔離的單向傳輸器件，環(huán)形器的主要指標(biāo)有順向傳輸?shù)牟迦霌p耗和反向的相鄰端口的隔離度，以及3個端口的反射系數(shù)。供應(yīng)商在測試這些指標(biāo)的時候都是在良好匹配的情況下測試的。而實(shí)際工作環(huán)境中，各電路的工作狀態(tài)都不是理想匹配，而環(huán)形器工作特性是三個端口互相影響的平衡式器件。除了通過監(jiān)測輸出功率和接收增益來監(jiān)測環(huán)形器的插損指標(biāo)外，端口1的回波損耗(RL，return loss)也是可以非常方便地監(jiān)測環(huán)形器電路是否正常的重要指標(biāo)。

圖6的環(huán)形器腔體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，此處根據(jù)實(shí)際情況只能插入一個調(diào)諧螺釘。隨著螺釘高度的從低到高，端口1的RL最優(yōu)點(diǎn)也從低頻往高頻偏移。如圖7所示。腔體效應(yīng)容易造成環(huán)形器指標(biāo)的頻段偏移，通過調(diào)諧螺釘，可以方便地進(jìn)行調(diào)整，減小調(diào)試的工作量。

圖7　端口RL隨調(diào)諧螺釘縫隙高度變化結(jié)果

3結(jié)論

本文提出了一種用于射頻電路優(yōu)化的腔體可調(diào)蓋板。

通過理論分析得出腔體效應(yīng)對電路的影響可以通過調(diào)諧螺釘加以修正。如何合理、高效地修正是本文的重點(diǎn)。通過找到對腔體諧振影響最明顯的位置，在這些位置上安裝優(yōu)化過的調(diào)諧螺釘，從而達(dá)到修正腔體效應(yīng)的效果。這種方法還可以對批量生產(chǎn)過程中，各不同批次的器件間的差異性導(dǎo)致的失配進(jìn)行調(diào)整。這種調(diào)整方法簡單、高效，提高了調(diào)試效率。

參考文獻(xiàn)

[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.一體化高功率微波組件內(nèi)部的電磁兼容分析[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù),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

基金項目：國家自然基金資助(NO.61471191,No.61501233)

作者簡介：顧海光(1982- )，男，江蘇南京人，工程師，工學(xué)碩士，研究方向為微波射頻電路。

文章編號：1674- 4578(2016)02- 0028- 02

中圖分類號：TN811

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：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