一體化溫補(bǔ)均衡器設(shè)計(jì)

盧子焱，王超杰，曾 超，姚瑞林，李志友，周 麗

(1. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第29 研究所 成都 610036；2. 四川省寬帶微波電路高密度集成工程研究中心 成都 610036)

隨著微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，多功能單片微波集 成 電 路(monolithic microwave integrated circuit,MMIC)已大規(guī)模應(yīng)用于寬帶射頻微系統(tǒng)。雖然目前的多功能MMIC 具有體積小、集成度高、便于二次集成的優(yōu)勢(shì)，但其射頻性能指標(biāo)仍存在局限性，如在超寬帶應(yīng)用中器件增益隨頻率升高而逐漸下降，且增益幅度隨溫度變化波動(dòng)大。在超寬帶射頻收發(fā)前端，如果沒(méi)有溫度補(bǔ)償和幅度均衡等措施，增益隨頻率和高低溫影響波動(dòng)較大，嚴(yán)重影響其在實(shí)際工程中的應(yīng)用。因此增益幅度均衡、溫度補(bǔ)償技術(shù)對(duì)于改善寬帶射頻收發(fā)前端的性能指標(biāo)尤為重要。

目前，實(shí)現(xiàn)超寬帶射頻收發(fā)前端的增益補(bǔ)償技術(shù)主要有增益均衡[1-6]和溫度補(bǔ)償技術(shù)[7-11]，如文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]分別基于微帶線和同軸線設(shè)計(jì)了寬帶幅度均衡器，文獻(xiàn)[11]基于π 型衰減網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了超寬帶溫補(bǔ)衰減器，溫度補(bǔ)償系數(shù)達(dá)到?0.005 dB/℃。但是由于寬帶收發(fā)前端通常需要同時(shí)使用增益均衡和溫度補(bǔ)償技術(shù)，若采用前面已報(bào)道的相關(guān)技術(shù)手段分別設(shè)計(jì)增益均衡器和溫度補(bǔ)償衰減器，不利于前端的小型化。而采用厚膜工藝實(shí)現(xiàn)的溫度補(bǔ)償衰減器，由于趨膚效應(yīng)高頻段溫補(bǔ)衰減器性能較差，無(wú)法滿足寬帶微系統(tǒng)的應(yīng)用需求[11-15]。同時(shí)對(duì)于多通道收發(fā)系統(tǒng)，文獻(xiàn)[1-6]報(bào)道的均衡器不具有均衡量動(dòng)態(tài)調(diào)整特性，不利于多通道系統(tǒng)應(yīng)用的一致性實(shí)現(xiàn)。

為解決上述問(wèn)題，本文提出了一種寬帶一體化溫補(bǔ)均衡器。該溫補(bǔ)均衡器在6～18 GHz 頻段范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)3～5 dB 的幅度均衡，并在?55～+85℃溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)6 dB 的增益補(bǔ)償。為改善因溫度變化造成的均衡器輸入輸出駐波惡化的情況，溫補(bǔ)均衡器的輸入和輸出端增加了90°電橋[10]，使得其具備良好的寬帶匹配特性。為提高溫補(bǔ)均衡器電路的可制造性，溫補(bǔ)均衡電路中增加了額外的微帶支節(jié)和熱敏電阻，通過(guò)改變金絲壓焊位置對(duì)幅度均衡和溫度補(bǔ)償范圍進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

1 電路結(jié)構(gòu)與原理分析

1.1 電路結(jié)構(gòu)

圖1 為一體化溫補(bǔ)均衡器的電路原理。該均衡器由溫度補(bǔ)償子電路、幅度均衡子電路和3 dB電橋組成。其中3 dB 電橋主要實(shí)現(xiàn)溫補(bǔ)均衡電路的阻抗匹配，改善輸入輸出駐波，均衡子電路實(shí)現(xiàn)不同頻率的幅度調(diào)節(jié)，溫補(bǔ)子電路實(shí)現(xiàn)高、低溫情況下的幅度調(diào)整。

圖1 一體化溫補(bǔ)均衡器電路原理

1.2 原理分析

一體化溫補(bǔ)均衡器電路主要包含幅度均衡和溫度補(bǔ)償兩部分功能。這里先對(duì)溫補(bǔ)、均衡子電路的前向傳輸系數(shù)S21進(jìn)行分析，溫補(bǔ)均衡子電路原理如圖2 所示。

圖2 溫補(bǔ)均衡子電路原理

假定溫補(bǔ)均衡器電路輸入端電壓為V1，負(fù)載ZL處電壓為V2，由散射參數(shù)理論可知：

由式(2)和式(3)可知，在頻率f由0～f0的變化過(guò)程中，|S21|逐漸減小，表明溫補(bǔ)均衡器電路插損逐漸減小，可實(shí)現(xiàn)電路幅度均衡功能。

為了分析均衡電路的溫度補(bǔ)償特性，令R1、R2保持不變并且βl固定不變，即頻率固定時(shí)，改變R3，則式(1)可化簡(jiǎn)為:

由(4)式可知，|S21|隨R′3增大而增大。因此可以通過(guò)具有正溫度系數(shù)的熱敏電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)電阻R3，即阻值隨溫度的升高而增加，從而實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償功能。為了驗(yàn)證分析，采用Matlab 軟件對(duì)|S21|進(jìn)行編程計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖3 所示。隨著頻率的增加，溫補(bǔ)均衡器的插損逐漸減小；而隨著溫度升高，熱敏電阻R3逐漸增大，溫補(bǔ)均衡器的插損逐漸減小。

圖3 溫補(bǔ)均衡器插損仿真結(jié)果

由式(9)和(10)可知，溫補(bǔ)均衡電路輸入輸出反射系數(shù)隨熱敏電阻R3的變化而變化，即隨環(huán)境的溫度變化而變化。

為簡(jiǎn)化分析，采用Matlab 軟件對(duì)|S11|和|S22|進(jìn)行編程計(jì)算分析，其仿真結(jié)果如圖4 和圖5 所示。由仿真結(jié)果可知：隨著溫度的升高，熱敏電阻R3阻值逐漸變大，使得|S11|和|S22|逐漸降低；而在相同條件下，輸入反射系數(shù)|S11|優(yōu)于輸出反射系數(shù)|S22|。由于熱敏電阻R3隨溫度降低而阻值減小，使得反射系數(shù)絕對(duì)值變大，從而導(dǎo)致輸出駐波惡化，不滿足工程實(shí)用需求。

圖4 溫補(bǔ)均衡器反射系數(shù)S11 的仿真結(jié)果

圖5 溫補(bǔ)均衡器反射系數(shù)S22 的仿真結(jié)果

在實(shí)際的系統(tǒng)應(yīng)用中，為解決溫補(bǔ)均衡電路輸入輸出反射系數(shù)隨環(huán)境溫度變化而變化的難題，需要在溫補(bǔ)均衡電路的輸入和輸出端增加90°電橋，以實(shí)現(xiàn)溫補(bǔ)均衡電路與外部電路的隔離，從而改善其輸入輸出端的反射系數(shù)，如圖1 所示。該電路的工作原理為射頻輸入信號(hào)首先進(jìn)入90°電橋，然后分成兩路幅度相等、相位相差90°的射頻信號(hào)，兩路信號(hào)依次經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償子電路、均衡子電路，分別實(shí)現(xiàn)溫補(bǔ)、均衡功能后經(jīng)90°電橋進(jìn)行合成得到射頻輸出。而對(duì)于溫度補(bǔ)償子電路、幅度均衡子電路的反射信號(hào)則會(huì)輸出到90°電橋的隔離端被隔離電阻吸收，從而達(dá)到改善溫補(bǔ)均衡電路反射系數(shù)的目的。

2 一體化溫補(bǔ)均衡器設(shè)計(jì)

結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，某寬帶微波收發(fā)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)帶寬為12 GHz 的溫補(bǔ)均衡功能，幅度均衡量要求3 dB，高低溫溫補(bǔ)范圍為±3 dB。結(jié)合前述的一體化溫補(bǔ)均衡器設(shè)計(jì)原理以及給定的技術(shù)指標(biāo)，提出了一種溫補(bǔ)均衡器電路，其HFSS 結(jié)構(gòu)模型如圖6所示?？紤]到實(shí)際情況中因壓焊金絲帶來(lái)的性能指標(biāo)誤差，電路模型中加入了額外的微帶支節(jié)以用于優(yōu)化均衡線性度和回波損耗等指標(biāo)。

圖6 一體化溫補(bǔ)均衡器仿真模型

為獲得溫補(bǔ)均衡器的幅度均衡特性，熱敏電阻采用了溫度為+85℃時(shí)的邊界值500 Ω 進(jìn)行仿真。通過(guò)對(duì)圖6 所示電路模型進(jìn)行仿真和優(yōu)化，獲得了均衡器幅度均衡仿真結(jié)果，如圖7 所示。由圖7a可知，在溫度為+85℃時(shí)，該溫補(bǔ)均衡器在18 GHz處的插入損耗約為1.1 dB，而在6 GHz 處的插入損耗約為4.9 dB，均衡量為3.8 dB，整個(gè)頻段的輸入輸出駐波比優(yōu)于1.6，如圖7b 所示。

圖7 一體化溫補(bǔ)均衡器仿真結(jié)果

3 驗(yàn)證與測(cè)試

為了驗(yàn)證所提出的一體化溫補(bǔ)均衡器電路，本文采用了薄膜制造技術(shù)，基片采用氧化鋁陶瓷(Al2O3)，電路采用鍍金薄膜，固定電阻采用TaN 薄膜電阻，阻值精度為±5%，熱敏電阻采用厚膜工藝制造，其實(shí)物如圖8 所示。由于加入了額外的微帶調(diào)試支節(jié)，電路幅度均衡量實(shí)現(xiàn)了3 dB 和5 dB 可調(diào)。圖9 給出了溫補(bǔ)均衡電路在3 dB 和5 dB 均衡條件下的全溫測(cè)試結(jié)果。在高溫85℃時(shí)，均衡器在18 GHz 處 的 插 損 約 為2.3 dB，在 低 溫?55℃時(shí)18 GHz 處插損約為9 dB，高低溫溫補(bǔ)量為6.7 dB。在全溫狀態(tài)下，均衡器在全頻段的駐波比小于2.5，能夠滿足實(shí)際應(yīng)用需求，達(dá)到了預(yù)期效果，其測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果近似吻合。

圖8 一體化溫補(bǔ)均衡器實(shí)物

圖9 一體化溫補(bǔ)均衡器全溫測(cè)試結(jié)果

4 結(jié) 束 語(yǔ)

本文采用溫補(bǔ)、均衡綜合技術(shù)，研制了一種寬帶一體化溫補(bǔ)均衡器。其仿真與測(cè)試結(jié)果的一致性驗(yàn)證了此技術(shù)的有效性和可行性，滿足工程應(yīng)用需求。該溫補(bǔ)均衡器設(shè)計(jì)方法可廣泛應(yīng)用在超寬帶微波收發(fā)系統(tǒng)中，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。