变容管电调微波均衡器的设计

1  引言

频率可调微波器件是一种新型的微波器件，主要用于微波接收机和电子对抗系统，是电子支援措施接收系统的关键部件之一。微波均衡器是一种在现代雷达通信系统、高精度微波测量系统和其他微波应用系统中正得到应用的微波无源器件。它可以补偿系统幅频特性的各种起伏和不规则变化，使系统满足所需的传输条件。目前已有的微波均衡器大多数为固定式或机械可调式，它们都有各自固有的缺点；为了适应现代电子技术的发展，开展可电调微波均衡器的研究具有重要的实际意义。电调谐具有调谐速度快、体积小、适应范围大等优点，应用前景广阔。本文将对电调谐微波幅度均衡器的结构、调谐原理和性能进行探索性研究。

2  电调微波幅度均衡器的理论分析

2.1  电调微波幅度均衡器子结构

电调微波幅度均衡器是指在直流电压作用下，中心频率及传输特性随电压发生相应改变的幅度均
衡器。最常见的电调元件是变容二极管，除此之外，还有压电换能器、铁电薄膜等。

理想的电调微波幅度均衡器应该是：
(1)具有很宽的调谐范围，以及具有很快的调谐速度;
(2) 在传输频带内具有合乎预期要求的均衡幅频特性;
(3)输入输出驻波尽可能小。

在微波均衡器的设计中，谐振器是最基本的组成部分。微带谐振器是介质衬底上的一块平面导体，它的主要损耗包括导体损耗、介质损耗和辐射损耗。谐振器的参数包括：谐振频率、品质因数、相对带宽、有载高Q值(品质因数)的谐振结构，包括压控振荡器和滤波器，但是在均衡器中，品质因数不一定要求很高，这要根据具体情况而定。在对不同的谐振器结构做了大量的仿真分析后发现：加载了电阻的谐振器适合用于宽带微带均衡器，而且使得均衡器衰减幅度和品质因数可调。同时为了使得均衡特性曲线和中心频率可电调谐需要引入变容管。综合上述几个因素，宜用的电调微波均衡器的子结构如图1所示。

    图1  电调微波均衡器子结构示意图

通过改变直流偏置电压V，使得加在变容管两端的电压发生改变，从而使变容管的电容值发生改变，进而使得微波均衡器的传输特性及中心频率随之发生相应改变，达到电调谐的目的。

2.2  直流偏置电路和电压滤波电路的设计

变容二极管是需要电源控制调谐的，它通过控制加在其上的反向电压来调整它的电容值，调谐电压源通过一个大电阻接到变容管。设计变容管的偏置电路时，首先要计算出偏置电路中分压电阻的值，然后在电源输出端口设计射频扼流圈和滤波电容，以滤除电源的低频杂散(纹波)和射频干扰成分。

对于一个理想的稳压电源来说，其阻抗为零，在平面任何一点的电位都是保持恒定的，然而实际的情况并不是如此，存在各种高频和低频的噪声干扰。所以为了得到一个稳定的电源，对调谐电压源的滤波是必须的。偏置滤波包括三部分：
①通过并联去耦电容对电源进行滤波;
②隔直电容，避免直流电源短路以及对微波信号的影响;
③高频扼流圈，避免高频信号对电源的影响，一般采用电感来实现，对于频率更高时，可以采用金丝电感或薄膜电感。

2.3  电调微波均衡器子结构的仿真

在ADS仿真软件里建立电调微波均衡器子结构的模型，如图2所示(其中虚线框图部分为变容管的等效电路)，并对其进行仿真分析，仿真得到不同C值（C为变容二极管的容值）对应的传输曲线S21如图3所示。

图2  电调微波均衡器子结构在ADS里的模型

        图3  不同C值时仿真得到的S21曲线

由图3的仿真结果看出：变容管的电容值C从小到大变化时，S21曲线的中心频率向低频偏移，但最大衰减值保持不变，两端起始衰减有小的变化。由图3的仿真结果还可得出：利用变容管达到微波均衡器电调谐的尝试是可行的。变容管在电调谐均衡器的设计中是一个关键器件，接下来我们对变容管参数及管型的选择进行简要的介绍。

3  变容管的参数与管型的选择

3.1  变容管的参数

为了表示变容管的特性，人们规定了一些特性参数，在不加随时间变化电压时规定的参数称为静态参数；加随时间变化的外加电压时规定的参数称为动态参数。

变容二极管的静态参数包括：结电容、变容二极管损耗电阻、电容调制系数、品质因数、截止频率、自谐振频率和反向击穿电压。

3.2  管型的选择

在变容管管型的选择中，我们采用了由M/A-COM公司生产的砷化镓表面贴装可变电容管MA46H504。
MA46H500系列砷化镓表面贴装可变电容管的特色：

① 造价低
② 表面贴装封装
③ 很高的品质因数
④ 常伽玛突变结：0.5
⑤ Hyperabrupt结：0.75,1.25和1.5
⑥ 电容比率：10:1

MA46H504具有Hyperabrupt结和很高的品质因数，而且在2-12V的电压变化范围内常伽玛突变结为1.5。MA46H504砷化镓表面贴装变容管多用于宽带压控振荡器和电压调谐滤波器的设计中。

     图4(a) 反向电压-总电容特性曲线

     图4(b)  反向电压-电容温度系数特性曲线

4  电调微波幅度均衡器的设计

单个电调微波均衡器子结构无法在带宽及传输特性上同时达到要求，需要将多个电调微波均衡器子结构级联起来构成均衡网络。基于这一思路以及前面对单个电调微波均衡器子结构的特性分析，下面我们设计了一款2-4GHz频段的电调微波均衡器。

    如图5  2-4GHz电调微波均衡器实物图

所用板材为Rogers公司的 RT/duroid 6002，印制板厚度0.508mm，介电常数为2.94。

图6是2-4GHz电调微波均衡器S21仿真结果，图7是其S21实测结果，图8是其驻波实测结果。由图6与图7对比可以看出两者吻合较好。从图8看出驻波在1.4以下，驻波特性很好。实际测试结果证明通过加载变容管达到电调的目的是可行的。

                     图6 均衡器S21仿真

                   图7 均衡器S21实测

                       图8 均衡器驻波实测

5  结束语

本文将变容管引入到微带均衡器的设计中，对电调微波幅度均衡器进行了探索性研究。在对电调微波均衡器子结构进行仿真分析的基础上设计制作了一款2-4GHz频段的电调微波均衡器，其测试结果与仿真结果吻合较好，证实了这种加载变容管达到电调的目的是可行的。