2.4mm 11dB 程控步进衰减器的设计及实现

1 引言
程控步进衰减器是一种可编程控制衰减量的微波无源器件。它工作频带宽、端口驻波比小、衰减精度高，可实现控制进入系统的信号电平幅度、控制系统的输出信号功率、调整信号源与负载之间的匹配等功能。广泛应用于各类自动测试系统中。本文介绍的这种程控步进衰减器的工作频率为DC～40GHz，总衰减量为11dB，最小步进量为1dB。

2 整件结构及工作原理
该衰减器整件结构示意图如图1 所示。

图1 程控步进衰减器整件结构示意图
该衰减器由四个衰减单元串联而成，衰减量分别为1dB、2dB、4dB、4dB。控制电路接收外部信号后控制继电器组件工作，然后电磁继电器组件带动顶针动作。在顶针的带动下，动簧片在直通簧片与衰减片之间切换。通过选择不同的衰减片和直通片，从而实现0～11dB 之间的任何一个整数衰减量。而且当外部信号消失后，继电器组件依靠磁力仍然能够维持当前的状态，减少功率的消耗，提高了衰减器的可靠性。
3 边缘线型传输线结构
边缘线型传输线是一种带状线，属于双导体类传输线，传输主模为TEM[1]，具有损耗小、易于连接匹配等特点，可以方便实现直通和衰减之间的切换，其结构如图2 所示。边缘线型传输线由一条矩形截面的中心导带和上下接地板构成，中心导带垂直放置。电磁场分布如图3 所示。
由于中心导带只发生水平弯曲，并不影响电磁场分布，从而保证传输线特性阻抗不变。从图3 还可以看出，电磁场主要分布在中心导带窄边与接地板之间的狭小缝隙及其附近，而宽边表面电磁场强度非常弱。这有利于在中心导带宽边中心部位安装一些固定和驱动装置而几乎不影响传输线性能特性。

图2 传输线结构

图3 电磁场分布
3 高精度衰减片设计
衰减片按设计方案划分主要有集总参数和分布参数两大类。其中分布参数衰减片具有良好的频响特性。衰减网络又分为Π型和T 型电阻衰减网络，Π型衰减网络接地容易，电阻可以集成化，能减小频率升高时分布参数对性能的影响。2.4mm 11dB 程控衰减器的工作频率高达40GHz，为保证衰减电路在整个频段内都具有良好衰减特性，本文采用分布参数的Π型衰减网络。通过磁控溅射、化学刻蚀等方法将薄膜电阻做在陶瓷片基材上，再通过热氧化调阻来调整薄膜电阻的方阻从而达到所需的特性阻抗。 分布参数衰减片的衰减量与薄膜电阻的方阻无关。电阻膜层对薄膜而言，利用图形发生器来制作光刻掩薄膜并确保光刻工艺质量，电路各项尺寸误差可控制在±0.01mm，由此产生的尺寸误差对直流衰减量的影响大约为±0.1dB。
图4 所示为一个典型的分布参数衰减片结构图，中间部分为电阻膜层，Rshunt 、Rseries分别为并联电阻和串联电阻。膜层尺寸决定电阻阻值。直流情况下并联电阻、串联电阻的阻值分别为[2]：

其中， —衰减片特性阻抗
A—衰减片衰减量以2dB 衰减片为例， 为50Ω。由公式（1）、（2）可得，Rshunt =436.2Ω，Rseries =11.6Ω。由于串联电阻阻值很小，受限于衰减片的尺寸，串联电阻的尺寸将非常小，工艺上难以实现。因此可以将串联电阻改为两个电阻并联，如图5 所示，每个电阻阻值为R= 2*Rseries=23.2Ω，增大了电阻尺寸。为了实现衰减片在整个频段内有良好的平坦度，需要通过仿真优化来适当修正薄膜电阻的外形尺寸。 另一方面，由于导带与薄膜电阻连接处存在结构不连续，为了实现良好的宽带频响，需要对串联电阻附近的导带尺寸进行调整。具体尺寸可通过高频结构仿真软件（HFSS）进行仿真优化，从而达到最佳衰减频响。

图5 2dB 衰减片结构图
4 连接器设计
程控步进衰减器的输入输出部分为同轴连接器，介质撑的设计是连接器设计成功的关键之一。介质撑的主要作用是对内导体提供物理支撑，也为内外导体具有良好的同心度提供保证。但是，因为介质撑的引入，传输线的特性阻抗发生了变化，需要对传输线的内外导体尺寸做微小变化，以尽量保证传输线的特性阻抗为50 欧姆。同时，因为介质撑的引入，会在空气传输线和介质传输线间引入不连续性电容。为了尽量减小该电容导致的传输线失配，可以在介质撑同空气传输线的接触面挖一个小槽。
5 边缘线匹配技术
程控步进衰减器的边缘线、连接器和衰减片的特性阻抗都是50 欧姆，但三者的物理结构相差悬殊，若匹配不当，在传输线转接处会造成不连续，引起较大的反射，使性能变差。因此要达到良好的传输特性，边缘线与连接器、边缘线与衰减片之间必须要有良好的匹配。 同轴连接器的内外导体接触面为圆形，而边缘线型传输线接触面为矩形，若将这两种传输线直接相连，这种结构尺寸的不连续将等效为阶跃电容，当频率升高时，阶跃电容随之增大，从而使驻波比变大。可以通过调整连接器内导体的直径尺寸或边缘线传输线型传输线的尺寸来减小阶跃电容，从而将影响降到最低。 边缘线和衰减片之间的匹配与边缘线和连接器之间的匹配类似。边缘线与衰减片连接采用搭接方式，由于边缘线型传输线宽边形状与衰减片导带形状一样，因此只要传输线宽度不超过衰减片导带宽度，就几乎不会产生失配。当然两者尺寸参数的差别还会导致阶跃电容的存在，还需通过仿真优化确定两者的最佳参数。
6 测试结果
测试在安捷伦矢量网络分析仪E8361C 上完成。整个衰减器端口驻波比小于1.5，直通插损小于2dB，衰减准确度小于±0.5dB。图6 所示为1～11dB 衰减测试曲线，图7 所示为直通端口驻波比测试曲线，图8 所示为直通插损测试曲线。横坐标为频率45MHz～40GHz。

图 6  1-11dB 衰减测试曲线

图 7  直通端口驻波比测试曲线

图 8  直通插损测试曲线
7 结论
本文设计并制作了2.4mm 11dB 程控步进衰减器。该衰减器在DC～40GHz 的宽频范围内，可实现0～11dB 之间的任一整数衰减值。具有使用频带宽、衰减准确度高、衰减平坦度好等一系列优点，能很好地应用在微波测试中。 作者：郑文峰 文春华 中电41所
参考文献[1] 廖承恩，微波技术基础[M]，西安电子科技大学出版社，2000[2] Amir Effendy, The Design of 5 dB Attenuator in Coplanar Waveguide for DC to 67 GHz， IEEE International RF and MicrowaveConference，2011

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