2.4mm 11dB 程控步進(jìn)衰減器的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

2017-01-19  by:CAE仿真在線  來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

1 引言

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

該衰減器由四個(gè)衰減單元串聯(lián)而成,衰減量分別為1dB、2dB、4dB、4dB?？刂齐娐方邮胀獠啃盘?hào)后控制繼電器組件工作,然后電磁繼電器組件帶動(dòng)頂針動(dòng)作。在頂針的帶動(dòng)下,動(dòng)簧片在直通簧片與衰減片之間切換。通過(guò)選擇不同的衰減片和直通片,從而實(shí)現(xiàn)0~11dB 之間的任何一個(gè)整數(shù)衰減量。而且當(dāng)外部信號(hào)消失后,繼電器組件依靠磁力仍然能夠維持當(dāng)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(dǎo)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(diǎn),可以方便實(shí)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(dǎo)帶和上下接地板構(gòu)成,中心導(dǎo)帶垂直放置。電磁場(chǎng)分布如圖3 所示。

由于中心導(dǎo)帶只發(fā)生水平彎曲,并不影響電磁場(chǎng)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(chǎng)主要分布在中心導(dǎo)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(chǎng)強(qiáng)度非常弱。這有利于在中心導(dǎo)帶寬邊中心部位安裝一些固定和驅(qū)動(dòng)裝置而幾乎不影響傳輸線性能特性。

3 高精度衰減片設(shè)計(jì)

衰減片按設(shè)計(jì)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(shí)分布參數(shù)對(duì)性能的影響。2.4mm 11dB 程控衰減器的工作頻率高達(dá)40GHz,為保證衰減電路在整個(gè)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(guò)磁控濺射、化學(xué)刻蝕等方法將薄膜電阻做在陶瓷片基材上,再通過(guò)熱氧化調(diào)阻來(lái)調(diào)整薄膜電阻的方阻從而達(dá)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(wú)關(guān)。電阻膜層對(duì)薄膜而言,利用圖形發(fā)生器來(lái)制作光刻掩薄膜并確保光刻工藝質(zhì)量,電路各項(xiàng)尺寸誤差可控制在±0.01mm,由此產(chǎn)生的尺寸誤差對(duì)直流衰減量的影響大約為±0.1dB。

圖4 所示為一個(gè)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]:

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(shí)現(xiàn)。因此可以將串聯(lián)電阻改為兩個(gè)電阻并聯(lián),如圖5 所示,每個(gè)電阻阻值為R= 2*Rseries=23.2Ω,增大了電阻尺寸。為了實(shí)現(xiàn)衰減片在整個(gè)頻段內(nèi)有良好的平坦度,需要通過(guò)仿真優(yōu)化來(lái)適當(dāng)修正薄膜電阻的外形尺寸。

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

4 連接器設(shè)計(jì)

程控步進(jìn)衰減器的輸入輸出部分為同軸連接器,介質(zhì)撐的設(shè)計(jì)是連接器設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵之一。介質(zhì)撐的主要作用是對(duì)內(nèi)導(dǎo)體提供物理支撐,也為內(nèi)外導(dǎo)體具有良好的同心度提供保證。但是,因?yàn)榻橘|(zhì)撐的引入,傳輸線的特性阻抗發(fā)生了變化,需要對(duì)傳輸線的內(nèi)外導(dǎo)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(shí),因?yàn)榻橘|(zhì)撐的引入,會(huì)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(dǎo)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(gè)小槽。

5 邊緣線匹配技術(shù)

程控步進(jìn)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(dāng),在傳輸線轉(zhuǎn)接處會(huì)造成不連續(xù),引起較大的反射,使性能變差。因此要達(dá)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(dǎo)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(dāng)頻率升高時(shí),階躍電容隨之增大,從而使駐波比變大?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整連接器內(nèi)導(dǎo)體的直徑尺寸或邊緣線傳輸線型傳輸線的尺寸來(lái)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(dǎo)帶形狀一樣,因此只要傳輸線寬度不超過(guò)衰減片導(dǎo)帶寬度,就幾乎不會(huì)產(chǎn)生失配。當(dāng)然兩者尺寸參數(shù)的差別還會(huì)導(dǎo)致階躍電容的存在,還需通過(guò)仿真優(yōu)化確定兩者的最佳參數(shù)。

6 測(cè)試結(jié)果

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

圖 6 1-11dB 衰減測(cè)試曲線

圖 7 直通端口駐波比測(cè)試曲線

7 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并制作了2.4mm 11dB 程控步進(jìn)衰減器。該衰減器在DC~40GHz 的寬頻范圍內(nèi),可實(shí)現(xiàn)0~11dB 之間的任一整數(shù)衰減值。具有使用頻帶寬、衰減準(zhǔn)確度高、衰減平坦度好等一系列優(yōu)點(diǎn),能很好地應(yīng)用在微波測(cè)試中。

作者:鄭文峰 文春華 中電41所

參考文獻(xiàn)

[1] 廖承恩,微波技術(shù)基礎(chǔ)[M],西安電子科技大學(xué)出版社,2000

[2] Amir Effendy, The Design of 5 dB Attenuator in Coplanar Waveguide for DC to 67 GHz, IEEE International RF and Microwave

Conference,2011

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