2.4mm 11dB 程控步進衰減器的設計及實現

2017-01-19 by:CAE仿真在線來源:互聯網

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、調整信號源與負載之間的匹配等功能。廣泛應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 整件結構及工作原理

該衰減器整件結構示意圖如圖1 所示。

圖1 程控步進衰減器整件結構示意圖

該衰減器由四個衰減單元串聯而成,衰減量分別為1dB、2dB、4dB、4dB?？刂齐娐方邮胀獠啃盘柡罂刂评^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0~11dB 之間的任何一個整數衰減量。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 邊緣線型傳輸線結構

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,可以方便實現直通和衰減之間的切換,其結構如圖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動裝置而幾乎不影響傳輸線性能特性。

圖2 傳輸線結構

圖3 電磁場分布

3 高精度衰減片設計

衰減片按設計方案劃分主要有集總參數和分布參數兩大類。其中分布參數衰減片具有良好的頻響特性。衰減網絡又分為Π型和T 型電阻衰減網絡,Π型衰減網絡接地容易,電阻可以集成化,能減小頻率升高時分布參數對性能的影響。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都具有良好衰減特性,本文采用分布參數的Π型衰減網絡。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,再通過熱氧化調阻來調整薄膜電阻的方阻從而達到所需的特性阻抗。

分布參數衰減片的衰減量與薄膜電阻的方阻無關。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量,電路各項尺寸誤差可控制在±0.01mm,由此產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衰減片結構圖,中間部分為電阻膜層,Rshunt 、Rseries分別為并聯電阻和串聯電阻。膜層尺寸決定電阻阻值。直流情況下并聯電阻、串聯電阻的阻值分別為[2]:

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。由于串聯電阻阻值很小,受限于衰減片的尺寸,串聯電阻的尺寸將非常小,工藝上難以實現。因此可以將串聯電阻改為兩個電阻并聯,如圖5 所示,每個電阻阻值為R= 2*Rseries=23.2Ω,增大了電阻尺寸。為了實現衰減片在整個頻段內有良好的平坦度,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構不連續(xù),為了實現良好的寬帶頻響,需要對串聯電阻附近的導帶尺寸進行調整。具體尺寸可通過高頻結構仿真軟件(HFSS)進行仿真優(yōu)化,從而達到最佳衰減頻響。

圖5 2dB 衰減片結構圖

4 連接器設計

程控步進衰減器的輸入輸出部分為同軸連接器,介質撐的設計是連接器設計成功的關鍵之一。介質撐的主要作用是對內導體提供物理支撐,也為內外導體具有良好的同心度提供保證。但是,因為介質撐的引入,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,因為介質撐的引入,會在空氣傳輸線和介質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,可以在介質撐同空氣傳輸線的接觸面挖一個小槽。

5 邊緣線匹配技術

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,但三者的物理結構相差懸殊,若匹配不當,在傳輸線轉接處會造成不連續(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,這種結構尺寸的不連續(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^調整連接器內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,就幾乎不會產生失配。當然兩者尺寸參數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。

6 測試結果

測試在安捷倫矢量網絡分析儀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。