邓庆文，范童修，卢胜军
（中国电子科技集团公司第三十六研究所，浙江嘉兴314033）
摘要：幅度均衡器可矫正信号在传输过程中发生的畸变，在通信系统中具有很广泛的应用。使用HFSS和ADS仿真设计工具，根据均衡器电路拓扑结构和需要均衡的信号要求，设计了一款工作频段为1~6 GHz，均衡量为4.5 dB的负斜率幅度均衡器，测试结果表明该均衡器达到设计要求。
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关键词 ：幅度均衡器；ADS；HFSS；自谐振
中图分类号：TN715?34 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2015）15?0077?03
收稿日期：2015?01?28
0 引言
工作在射频、微波段的系统，在宽带信号的传输与处理过程中，由于器件本身增益波动（如宽带放大器带内波动±1 dB）等原因导致系统在工作频带内存在较大的增益波动，引起幅频特性失真，影响信号传输质量。为提高信号在传输过程中在工作频段内增益的稳定性，可在原传输网络中引入一个均衡网络，即在系统的前端或者末级匹配幅度均衡器以减小甚至避免信号幅度的畸变，使幅度频率特性满足所需的信号传输要求。
幅度均衡器的实现方式有多种，包括印制板加载RLC元件，微带枝节线加载电阻[1?3]、波导、谐振腔[4?6]等形式的结构[7?10]。由于电感的自谐振频率较低，使RLC 均衡器很难工作在较高的频率下，因而仅限于低频段的应用。微带枝节线加载电阻虽然可以工作在较高的频率下（可达15 GHz或更高频率），但通用性差，只有改变微带枝节线的长、宽等参数才能较好地改变均衡量和工作频率，而不能简单地通过更换所加载的电阻值来改变均衡量和工作频率。因此，仿真设计的工作量较大，应用范围受限。虽然波导、谐振腔均衡器Q 值很高，插损较低，但体积较大，且工作频段极高，实际应用较少。本文设计了一款调试方便，工作带宽为1~6 GHz的无源幅度均衡器，并进行加工、测试。
1 设计与仿真
幅度均衡器是多点谐振网络，最简单的电路为桥T 型，由T型衰减器电路的输入、输出端增加反馈电阻演变而来。本文采用的电路拓扑结构如图1所示，电路包含电容、电阻和电感。其中L1，C2 和C3 用于滤除频率较低的信号，C1 用于短路频率高的信号，整个信号衰减量的大小可以通过电阻R1, R2 , R3 构成的衰减网络来实现。
使用ABCD网络分析法分析如图2所示的电路，记R1∥C2 的阻抗为ZR1∥C2，R2∥C3 的阻抗为ZR2∥C3，L1∥C1 + R3的阻抗为ZL1∥C1 + R3，则图1可以简化为图2所示的电路。
根据ABCD网络传输理论，有：
传输函数H(w) = VL /VG 可表示为：
上述各元素的值如下：
通过上面H(w) 的表达式可以看出，该网络系统的传递函数极为复杂，从理论上分析较困难。简单讨论两种情况，当w → 0 时，均衡器相当于只有R1, R2 , R3 组成的T型衰减器，因此，低频端均衡量为衰减器的衰减量，由3个电阻值决定。当w 较高时，可通过调整C1，L1 的大小控制被短路的信号强度，调整C2，C3 的大小改变不同频率点信号的通过量，从而实现幅度均衡。
由于表贴封装的电容、电阻元件存在寄生参数，考虑印制板微带线和电容、电阻、电感的寄生参数对幅度均衡效果的影响，电容、电阻选用0603封装，根据焊盘的大小估算电容的寄生电感约为0.3 nH，电阻的寄生电容约为0.2 pF。选用的板材为Rogers 5880，厚度为0.508 mm，50 Ω微带线宽度为1.5 mm。
通常绕线电感的自谐振频率较低，对于本文需要设计的均衡器而言，电感的自谐振频率在工作带宽之内。因此，使用绕线电感很难制作出工作频率高达6 GHz的幅度均衡器，通过对图1所示的拓扑结构进行改变，仅使用电容和电阻作为元器件，为充分考虑微带线对均衡器性能的影响，使用HFSS建立模型进行场仿真，如图3所示。
经过优化后，场仿真得到的各元件值为C1 = 1.8 pF，R1 = 10 Ω，C2 = 2.2 pF，R2 = 75 Ω，C3 = 100 pF，R3 =100 Ω。将这些元件值代入ADS中进行电路仿真，如图4所示。场仿真与电路仿真结果对比如图5所示，从图5可以看到，两种仿真有一定的差别，主要体现在ADS仿真显示的插入损耗更大。
2 结果与分析
根据图3所示的电路投产加工，并使用图6所示的测试夹具进行测试。所使用的输入输出接头为SMA，由于均衡器工作频率不是太高，所选用的微带线长度很短，对外辐射的能量很弱，可以忽略不计，因此，选用非屏蔽式测试方法测试。测试结果表明，由于电容、电阻值的寄生参数及标称值的不精确导致实测结果与仿真结果稍有偏差。
使用罗德与施瓦茨矢量网络分析仪作为均衡器S 参数测试仪器，结果如图7所示。
从图7 可以看出，均衡器具有负斜率特性，均衡量为4.5 dB左右，驻波为1.65。滤波器实测结果与HFSS，ADS 仿真结果对比如表1 所示。均衡器的实测插损比场仿真结果大，主要原因是电容的Q 值不够高，SMA与微带线连接焊点处的不连续性等原因导致插损和驻波偏大。另外，由于电阻、电容的标称值与实际值存在一定的偏差（5%~20%），致使实测均衡值与仿真值有一定的差别。总体上，仿真结果与实测结果较为吻合。
3 结论
根据实测结果可以看到，由于没有使用表贴电感和绕线电感，避免了电感的自谐振，因此，本文研制的幅度均衡器的工作频带宽可达6 GHz，相对带宽达200%。
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作者简介：邓庆文（1984—），男，工程师，博士。主要从事射频、微波组件和微组装等技术研究。