1～6 GHz寬帶負斜率幅度均衡器的研制

鄧慶文　范童修　盧勝軍

摘 要： 幅度均衡器可矯正信號在傳輸過程中發生的畸變，在通信系統中具有很廣泛的應用。使用HFSS和ADS仿真設計工具，根據均衡器電路拓撲結構和需要均衡的信號要求，設計了一款工作頻段為1～6 GHz，均衡量為4.5 dB的負斜率幅度均衡器，測試結果表明該均衡器達到設計要求。

關鍵詞： 幅度均衡器； ADS； HFSS； 自諧振

中圖分類號： TN715?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）15?0077?03

Development of amplitude equalizer with 1～6 GHz broadband and negative slope

DENG Qingwen， FAN Tongxiu， LU Shengjun

（No. 36 Research Institute of CETC， Jiaxing 314033， China）

Abstract： Since amplitude equalizer can correct signal distortion generated in transmitting process， which is widely applied in communication system. By using Ansoft HFSS and Agilent ADS simulation design tools， according to the demands of equalizer circuit topology and the needed equalized signals， a negative slope amplitude equalizer was designed， which works at 1～6 GHz， and its equilibrium quantity is 4.5 dB. The test results show that the equalizer can achieve design demands.

Keywords： amplitude equalizer； ADS； HFSS； self?resonance

0 引 言

工作在射頻、微波段的系統，在寬帶信號的傳輸與處理過程中，由于器件本身增益波動（如寬帶放大器帶內波動±1 dB）等原因導致系統在工作頻帶內存在較大的增益波動，引起幅頻特性失真，影響信號傳輸質量。為提高信號在傳輸過程中在工作頻段內增益的穩定性，可在原傳輸網絡中引入一個均衡網絡，即在系統的前端或者末級匹配幅度均衡器以減小甚至避免信號幅度的畸變，使幅度頻率特性滿足所需的信號傳輸要求。

幅度均衡器的實現方式有多種，包括印制板加載RLC元件，微帶枝節線加載電阻[1?3]、波導、諧振腔[4?6]等形式的結構[7?10]。由于電感的自諧振頻率較低，使RLC均衡器很難工作在較高的頻率下，因而僅限于低頻段的應用。微帶枝節線加載電阻雖然可以工作在較高的頻率下（可達15 GHz或更高頻率），但通用性差，只有改變微帶枝節線的長、寬等參數才能較好地改變均衡量和工作頻率，而不能簡單地通過更換所加載的電阻值來改變均衡量和工作頻率。因此，仿真設計的工作量較大，應用范圍受限。雖然波導、諧振腔均衡器[Q]值很高，插損較低，但體積較大，且工作頻段極高，實際應用較少。本文設計了一款調試方便，工作帶寬為1～6 GHz的無源幅度均衡器，并進行加工、測試。

1 設計與仿真

幅度均衡器是多點諧振網絡，最簡單的電路為橋T型，由T型衰減器電路的輸入、輸出端增加反饋電阻演變而來。本文采用的電路拓撲結構如圖1所示，電路包含電容、電阻和電感。其中[L1，][C2]和[C3]用于濾除頻率較低的信號，[C1]用于短路頻率高的信號，整個信號衰減量的大小可以通過電阻[R1，][R2，][R3]構成的衰減網絡來實現。

圖1 電路拓撲結構

使用ABCD網絡分析法分析如圖2所示的電路，記[R1∥C2]的阻抗為[ZR1∥C2，][R2∥C3]的阻抗為[ZR2∥C3，][L1∥C1+R3]的阻抗為[ZL1∥C1+R3，]則圖1可以簡化為圖2所示的電路。

根據ABCD網絡傳輸理論，有：

圖2 電路網絡結構

通過上面[H（w）]的表達式可以看出，該網絡系統的傳遞函數極為復雜，從理論上分析較困難。簡單討論兩種情況，當[w→0]時，均衡器相當于只有[R1，][R2，][R3]組成的T型衰減器，因此，低頻端均衡量為衰減器的衰減量，由3個電阻值決定。當[w]較高時，可通過調整[C1，][L1]的大小控制被短路的信號強度，調整[C2，][C3]的大小改變不同頻率點信號的通過量，從而實現幅度均衡。

由于表貼封裝的電容、電阻元件存在寄生參數，考慮印制板微帶線和電容、電阻、電感的寄生參數對幅度均衡效果的影響，電容、電阻選用0603封裝，根據焊盤的大小估算電容的寄生電感約為0.3 nH，電阻的寄生電容約為0.2 pF。選用的板材為Rogers 5880，厚度為0.508 mm，50 Ω微帶線寬度為1.5 mm。

通常繞線電感的自諧振頻率較低，對于本文需要設計的均衡器而言，電感的自諧振頻率在工作帶寬之內。因此，使用繞線電感很難制作出工作頻率高達6 GHz的幅度均衡器，通過對圖1所示的拓撲結構進行改變，僅使用電容和電阻作為元器件，為充分考慮微帶線對均衡器性能的影響，使用HFSS建立模型進行場仿真，如圖3所示。

圖3 場仿真結構示意圖

經過優化后，場仿真得到的各元件值為[C1=]1.8 pF，[R1=]10 Ω，[C2=]2.2 pF，[R2=]75 Ω，[C3=]100 pF，[R3=]100 Ω。將這些元件值代入ADS中進行電路仿真，如圖4所示。場仿真與電路仿真結果對比如圖5所示，從圖5可以看到，兩種仿真有一定的差別，主要體現在ADS仿真顯示的插入損耗更大。

圖4 均衡器電路仿真圖

圖5 ADS仿真結果與HFSS仿真結果對比

2 結果與分析

根據圖3所示的電路投產加工，并使用圖6所示的測試夾具進行測試。所使用的輸入輸出接頭為SMA，由于均衡器工作頻率不是太高，所選用的微帶線長度很短，對外輻射的能量很弱，可以忽略不計，因此，選用非屏蔽式測試方法測試。測試結果表明，由于電容、電阻值的寄生參數及標稱值的不精確導致實測結果與仿真結果稍有偏差。

圖6 實物加工結果與測試夾具

使用羅德與施瓦茨矢量網絡分析儀作為均衡器[S]參數測試儀器，結果如圖7所示。

圖7 均衡器實測結果

從圖7可以看出，均衡器具有負斜率特性，均衡量為4.5 dB左右，駐波為1.65。濾波器實測結果與HFSS，ADS仿真結果對比如表1所示。均衡器的實測插損比場仿真結果大，主要原因是電容的[Q]值不夠高，SMA與微帶線連接焊點處的不連續性等原因導致插損和駐波偏大。另外，由于電阻、電容的標稱值與實際值存在一定的偏差（5%～20%），致使實測均衡值與仿真值有一定的差別。總體上，仿真結果與實測結果較為吻合。

表1 幅度均衡器實測結果與仿真結果對比

[項目＼&IL /dB＼&1 GHz /dB＼&3.5 GHz /dB＼&6 GHz /dB＼&VSWR＼&HFSS＼&2.1＼&-6.0＼&-3.1＼&-2.1＼&1.33＼&ADS＼&2.6＼&-6.3＼&-3.4＼&-2.6＼&1.31＼&實測＼&2.6＼&-7＼&-5＼&-2.6＼&1.675＼&]

3 結 論

根據實測結果可以看到，由于沒有使用表貼電感和繞線電感，避免了電感的自諧振，因此，本文研制的幅度均衡器的工作頻帶寬可達6 GHz，相對帶寬達200%。

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