S波段微带均衡器的设计与实现

    在行波管放大器、射频微波低噪声放大电路及功率放大器后端中，信号输出增益曲线伴随增益衰减。为了保证传输的质量,通常采用均衡网络来进行校正，以满足通带内所需的增益平坦度[1]。一般用来校正幅度畸变的网络称为功率均衡器（也称衰减均衡器、幅度均衡器、增益均衡器）。功率均衡器有两点技术要求:在工作频带内要尽可能接近需要的衰减频率特性；输入输出驻波小,便于与其他器件连接。

    微波功率均衡器结构包括集总式、波导式、同轴式和集成传输线式。集总参数型一般用于低频段，不适合高频段；同轴型微带均衡器一般用于大功率均衡；波导型用于微波频率高端；集成传输线型具有体积小、重量轻、方便与固态电路集成等优点[2]。随着所用频率的提高及超宽带电路的应用，各种新型均衡器结构也随之出现，如参考文献[3]中利用平面回音壁介质谐振器与微带耦合产生均衡的原理设计的毫米波均衡器子结构。本文通过详细的理论分析并利用ADS与HFSS仿真软件实现了工作在2 GHz~3 GHz的小型微带幅度均衡器。1 理论分析     微带增益均衡器是由陷波器基本单元构成的，在集总式增益均衡器中由R、L、C组成简单的串联接地谐振电路。在谐振频率处阻抗最小，信号大部分被流下地，因而在幅频特性上形成一种倒钟型曲线。微带均衡器利用四分之一波长的终端开路传输线取代了集总元件L、C。根据无耗传输线理论[4]，一段终端开路传输线的输入阻抗为： 式中Z0为传输线的特征阻抗。从式(1)中可以看出,随着微带长度的变化，开路短截线表现为感性、并联谐振、容性和串联谐振等特性。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。所以以串联陷波单元级联，选择适当的谐振频率、Q值以及级联数目，就可以逼近任意需要的均衡响应。     由于多级陷波单元级联及宽带匹配电路设计理论分析的复杂性，工程上常用网络综合法和计算机优化法。实际设计上直接优化法应用较多，它是以一种结构合理通用的电路拓扑为基础利用软件设置好目标曲线直接进行优化逼近。如参考文献[5]结合microwave office2003(MWO)和HFSS优化仿真设计具有直观、简便和设计周期短的特点。2 设计结构与实现[6]     本文设计的微带均衡器中，在输入输出特征阻抗为50 Ω的主传输线之间添加一段特性阻抗为Z1的微带线，其两端分别在与主传输线连接处添加了加载电阻R的微带枝节。两微带短截线特征阻抗都为Z2，且其加载电阻和枝节长度相同，总体结构相对竖直中心线对称。其结构如图1所示。

    由于ADS原理图仿真只是平面电路的仿真，并不是十分准确，而且ADS版图仿真不适于设置变量进行微调，所以首先利用三维电磁仿真软件HFSS进行参数微调得到更加准确的电路模型(如图3)，其最终确定尺寸如表1所示。

    表1中W0、L0是主传输线的宽度和长度，W1、L1是主传输线之间连接线的宽度与长度，W2、L2是微带分支线的宽度与长度。电阻R取值161 Ω，采用0603封装的薄膜电阻。HFSS仿真结果如图4所示。     根据电路的对称性可知输入驻波与输出驻波是相等的。以HFSS仿真模型为基础进行ADS版图仿真并导出加工数据图。其版图仿真结果如图5所示。3 实物设计与测试结果     从加工实物可以看出，该均衡器工作频段较低，微带分支节较长，尺寸也就大大增加。在设计时可以考虑通过拐角折线来取代直线，但必须考虑到电磁场分布的不连续性，适当修改尺寸即可消除其影响以符合小型化设计目标。实物样件如图6所示,安捷伦矢网测试结果如图7所示。观察发现，ADS版图仿真结果相对HFSS仿真结果更接近实测结果。

    本文避免了只利用普遍适用的电路拓扑结构再软件优化设计微带均衡器的传统方法。通过理论分析推导微带均衡网络结构并利用软件参数分析、最后进行优化的方式，设计了工作在S波段内的目标曲线呈递增特性的微带均衡器，该均衡器已经成功应用于放大器后端并大大改善了增益平坦度。参考文献 [1] 苏光杰.微波功率模块MPM的固态驱动模块技术研究[D]. 成都：电子科技大学,2004:8-9. [2] 刘亚男，何庆国，郝金中，等. 6~18 GHz超宽带微带均衡器设计与实现[J].半导技术,2010,35(1):23-26. [3] 张毅，牛忠霞，周东方，等. 一种新型毫米波微带均衡器的设计与实现[J]. 红外与毫米波学报,2006,25(5):393-396. [4] POZAR D, Microwave Engineering[M]. 3rd ed. New York: Wiley,2005:51-53. [5] 赵琳，薛凯.基于微带的微波宽带功率均衡器的设计[J].重庆邮电大学学报（自然科学版）,2007,19(6):678-680. [6] 韩磊，商坚刚.一种低驻波微带均衡器的研究[J].现代雷达，2010,32(5):76-78.