2.4mm 11dB 程控步進衰減器的設(shè)計及實現(xiàn)

2017-01-19 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

1 引言

程控步進衰減器是一種可編程控制衰減量的微波無源器件。它工作頻帶寬、端口駐波比小、衰減精度高,可實現(xiàn)控制進入系統(tǒng)的信號電平幅度、控制系統(tǒng)的輸出信號功率、調(diào)整信號源與負載之間的匹配等功能。廣泛應(yīng)用于各類自動測試系統(tǒng)中。本文介紹的這種程控步進衰減器的工作頻率為DC~40GHz,總衰減量為11dB,最小步進量為1dB。

2 整件結(jié)構(gòu)及工作原理

該衰減器整件結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

2.4mm 11dB 程控步進衰減器的設(shè)計及實現(xiàn)HFSS結(jié)果圖片1

圖1 程控步進衰減器整件結(jié)構(gòu)示意圖

該衰減器由四個衰減單元串聯(lián)而成,衰減量分別為1dB、2dB、4dB、4dB。控制電路接收外部信號后控制繼電器組件工作,然后電磁繼電器組件帶動頂針動作。在頂針的帶動下,動簧片在直通簧片與衰減片之間切換。通過選擇不同的衰減片和直通片,從而實現(xiàn)0~11dB 之間的任何一個整數(shù)衰減量。而且當外部信號消失后,繼電器組件依靠磁力仍然能夠維持當前的狀態(tài),減少功率的消耗,提高了衰減器的可靠性。

3 邊緣線型傳輸線結(jié)構(gòu)

邊緣線型傳輸線是一種帶狀線,屬于雙導體類傳輸線,傳輸主模為TEM[1],具有損耗小、易于連接匹配等特點,可以方便實現(xiàn)直通和衰減之間的切換,其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。邊緣線型傳輸線由一條矩形截面的中心導帶和上下接地板構(gòu)成,中心導帶垂直放置。電磁場分布如圖3 所示。

由于中心導帶只發(fā)生水平彎曲,并不影響電磁場分布,從而保證傳輸線特性阻抗不變。從圖3 還可以看出,電磁場主要分布在中心導帶窄邊與接地板之間的狹小縫隙及其附近,而寬邊表面電磁場強度非常弱。這有利于在中心導帶寬邊中心部位安裝一些固定和驅(qū)動裝置而幾乎不影響傳輸線性能特性。

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圖2 傳輸線結(jié)構(gòu)

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圖3 電磁場分布

3 高精度衰減片設(shè)計

衰減片按設(shè)計方案劃分主要有集總參數(shù)和分布參數(shù)兩大類。其中分布參數(shù)衰減片具有良好的頻響特性。衰減網(wǎng)絡(luò)又分為Π型和T 型電阻衰減網(wǎng)絡(luò),Π型衰減網(wǎng)絡(luò)接地容易,電阻可以集成化,能減小頻率升高時分布參數(shù)對性能的影響。2.4mm 11dB 程控衰減器的工作頻率高達40GHz,為保證衰減電路在整個頻段內(nèi)都具有良好衰減特性,本文采用分布參數(shù)的Π型衰減網(wǎng)絡(luò)。通過磁控濺射、化學刻蝕等方法將薄膜電阻做在陶瓷片基材上,再通過熱氧化調(diào)阻來調(diào)整薄膜電阻的方阻從而達到所需的特性阻抗。

分布參數(shù)衰減片的衰減量與薄膜電阻的方阻無關(guān)。電阻膜層對薄膜而言,利用圖形發(fā)生器來制作光刻掩薄膜并確保光刻工藝質(zhì)量,電路各項尺寸誤差可控制在±0.01mm,由此產(chǎn)生的尺寸誤差對直流衰減量的影響大約為±0.1dB。

圖4 所示為一個典型的分布參數(shù)衰減片結(jié)構(gòu)圖,中間部分為電阻膜層,Rshunt 、Rseries分別為并聯(lián)電阻和串聯(lián)電阻。膜層尺寸決定電阻阻值。直流情況下并聯(lián)電阻、串聯(lián)電阻的阻值分別為[2]:

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其中, —衰減片特性阻抗

A—衰減片衰減量

以2dB 衰減片為例, 為50Ω。由公式(1)、

(2)可得,Rshunt =436.2Ω,Rseries =11.6Ω。由于串聯(lián)電阻阻值很小,受限于衰減片的尺寸,串聯(lián)電阻的尺寸將非常小,工藝上難以實現(xiàn)。因此可以將串聯(lián)電阻改為兩個電阻并聯(lián),如圖5 所示,每個電阻阻值為R= 2*Rseries=23.2Ω,增大了電阻尺寸。為了實現(xiàn)衰減片在整個頻段內(nèi)有良好的平坦度,需要通過仿真優(yōu)化來適當修正薄膜電阻的外形尺寸。

另一方面,由于導帶與薄膜電阻連接處存在結(jié)構(gòu)不連續(xù),為了實現(xiàn)良好的寬帶頻響,需要對串聯(lián)電阻附近的導帶尺寸進行調(diào)整。具體尺寸可通過高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件(HFSS)進行仿真優(yōu)化,從而達到最佳衰減頻響。

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圖5 2dB 衰減片結(jié)構(gòu)圖

4 連接器設(shè)計

程控步進衰減器的輸入輸出部分為同軸連接器,介質(zhì)撐的設(shè)計是連接器設(shè)計成功的關(guān)鍵之一。介質(zhì)撐的主要作用是對內(nèi)導體提供物理支撐,也為內(nèi)外導體具有良好的同心度提供保證。但是,因為介質(zhì)撐的引入,傳輸線的特性阻抗發(fā)生了變化,需要對傳輸線的內(nèi)外導體尺寸做微小變化,以盡量保證傳輸線的特性阻抗為50 歐姆。同時,因為介質(zhì)撐的引入,會在空氣傳輸線和介質(zhì)傳輸線間引入不連續(xù)性電容。為了盡量減小該電容導致的傳輸線失配,可以在介質(zhì)撐同空氣傳輸線的接觸面挖一個小槽。

5 邊緣線匹配技術(shù)

程控步進衰減器的邊緣線、連接器和衰減片的特性阻抗都是50 歐姆,但三者的物理結(jié)構(gòu)相差懸殊,若匹配不當,在傳輸線轉(zhuǎn)接處會造成不連續(xù),引起較大的反射,使性能變差。因此要達到良好的傳輸特性,邊緣線與連接器、邊緣線與衰減片之間必須要有良好的匹配。

同軸連接器的內(nèi)外導體接觸面為圓形,而邊緣線型傳輸線接觸面為矩形,若將這兩種傳輸線直接相連,這種結(jié)構(gòu)尺寸的不連續(xù)將等效為階躍電容,當頻率升高時,階躍電容隨之增大,從而使駐波比變大?？梢酝ㄟ^調(diào)整連接器內(nèi)導體的直徑尺寸或邊緣線傳輸線型傳輸線的尺寸來減小階躍電容,從而將影響降到最低。

邊緣線和衰減片之間的匹配與邊緣線和連接器之間的匹配類似。邊緣線與衰減片連接采用搭接方式,由于邊緣線型傳輸線寬邊形狀與衰減片導帶形狀一樣,因此只要傳輸線寬度不超過衰減片導帶寬度,就幾乎不會產(chǎn)生失配。當然兩者尺寸參數(shù)的差別還會導致階躍電容的存在,還需通過仿真優(yōu)化確定兩者的最佳參數(shù)。

6 測試結(jié)果

測試在安捷倫矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀E8361C 上完成。整個衰減器端口駐波比小于1.5,直通插損小于2dB,衰減準確度小于±0.5dB。圖6 所示為1~11dB 衰減測試曲線,圖7 所示為直通端口駐波比測試曲線,圖8 所示為直通插損測試曲線。橫坐標為頻率45MHz~40GHz。