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随着微电子技术的迅猛发展，多功能单片微波集成电路(monolithic microwave integrated circuit, MMIC)已大规模应用于宽带射频微系统。虽然目前的多功能MMIC具有体积小、集成度高、便于二次集成的优势，但其射频性能指标仍存在局限性，如在超宽带应用中器件增益随频率升高而逐渐下降，且增益幅度随温度变化波动大。在超宽带射频收发前端，如果没有温度补偿和幅度均衡等措施，增益随频率和高低温影响波动较大，严重影响其在实际工程中的应用。因此增益幅度均衡、温度补偿技术对于改善宽带射频收发前端的性能指标尤为重要。
目前，实现超宽带射频收发前端的增益补偿技术主要有增益均衡[1-6]和温度补偿技术[7-11]，如文献[5]和文献[6]分别基于微带线和同轴线设计了宽带幅度均衡器，文献[11]基于π型衰减网络设计了超宽带温补衰减器，温度补偿系数达到−0.005 dB/℃。但是由于宽带收发前端通常需要同时使用增益均衡和温度补偿技术，若采用前面已报道的相关技术手段分别设计增益均衡器和温度补偿衰减器，不利于前端的小型化。而采用厚膜工艺实现的温度补偿衰减器，由于趋肤效应高频段温补衰减器性能较差，无法满足宽带微系统的应用需求[11-15]。同时对于多通道收发系统，文献[1-6]报道的均衡器不具有均衡量动态调整特性，不利于多通道系统应用的一致性实现。
为解决上述问题，本文提出了一种宽带一体化温补均衡器。该温补均衡器在6～18 GHz频段范围内可实现3～5 dB的幅度均衡，并在−55～+85℃温度范围内实现6 dB的增益补偿。为改善因温度变化造成的均衡器输入输出驻波恶化的情况，温补均衡器的输入和输出端增加了90°电桥[10]，使得其具备良好的宽带匹配特性。为提高温补均衡器电路的可制造性，温补均衡电路中增加了额外的微带支节和热敏电阻，通过改变金丝压焊位置对幅度均衡和温度补偿范围进行动态调整。
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图1为一体化温补均衡器的电路原理。该均衡器由温度补偿子电路、幅度均衡子电路和3 dB电桥组成。其中3 dB电桥主要实现温补均衡电路的阻抗匹配，改善输入输出驻波，均衡子电路实现不同频率的幅度调节，温补子电路实现高、低温情况下的幅度调整。
图 1 一体化温补均衡器电路原理
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一体化温补均衡器电路主要包含幅度均衡和温度补偿两部分功能。这里先对温补、均衡子电路的前向传输系数S21进行分析，温补均衡子电路原理如图2所示。
图 2 温补均衡子电路原理
假定温补均衡器电路输入端电压为V1，负载ZL处电压为V2，由散射参数理论可知：
$$ {S_{21}} = \frac{{{V_{\text{2}}}}}{{{V_{\text{1}}}}} = \frac{{{Z_{{\text{in}}}}R'_{\text{3}}}}{{{Z_{{\text{in}}}}(R'_{\text{3}} + {\text{2}}{R_{\text{1}}}) + {R_{\text{1}}}(R'_{\text{3}} + {R_{\text{1}}})}} $$ (1) 式中，
$ {Z_{{\text{in}}}} = {R_{\text{2}}} + {\text{j}}{Z_{\text{0}}}\tan \beta l $ ；$ R'_{\text{3}} = \dfrac{{{R_{\text{3}}}{Z_L}}}{{{R_{\text{3}}} + {Z_{\text{L}}}}} $ 。首先分析幅度均衡特性，假定R1和R2保持不变，由β=2π/λ可知，输入阻抗
$ {Z_{{\text{in}}}} $ 随频率的变化而变化。令频率f=f0，此时l=λ/4，βl=π/2，由微波传输线理论可知，当f=f0时，$ {Z_{{\text{in}}}} = {R_{\text{2}}} + {\text{j}}\infty $ ，正向传递参数S21可简化为：$$ {S_{{\text{21}}}} = \frac{{R'_{\text{3}}}}{{R'_{\text{3}} + {\text{2}}{R_{\text{1}}}}} $$ (2) 当
$ f < < f{}_{\text{0}} $ 时，$ {Z_{{\text{in}}}} \approx {R_{\text{2}}} $ ，此时正向传递参数S21可表示为：$$ {S_{{\text{21}}}} = \frac{{R'_{\text{3}}}}{{R'_{\text{3}} + {\text{2}}{R_{\text{1}}} + \dfrac{{R{}_{\text{1}}}}{{{R_{\text{2}}}}}\left( {R'_{\text{3}} + {R_{\text{1}}}} \right)}} $$ (3) 由式(2)和式(3)可知，在频率f由0～f0的变化过程中，|S21|逐渐减小，表明温补均衡器电路插损逐渐减小，可实现电路幅度均衡功能。
为了分析均衡电路的温度补偿特性，令R1、 R2保持不变并且βl固定不变，即频率固定时，改变R3，则式(1)可化简为:
$$ {S_{{\text{21}}}} = \dfrac{{{Z_{{\text{in}}}}}}{{{Z_{{\text{in}}}} + {R_{\text{1}}} + \dfrac{{R_{\text{1}}^{\text{2}} + {\text{2}}{R_{\text{1}}}{Z_{{\text{in}}}}}}{{R'_{\text{3}}}}}} $$ (4) 由(4)式可知，|S21|随
$ R_3' $ 增大而增大。因此可以通过具有正温度系数的热敏电阻来实现电阻R3，即阻值随温度的升高而增加，从而实现温度补偿功能。为了验证分析，采用Matlab软件对|S21|进行编程计算，计算结果如图3所示。随着频率的增加，温补均衡器的插损逐渐减小；而随着温度升高，热敏电阻R3逐渐增大，温补均衡器的插损逐渐减小。
图 3 温补均衡器插损仿真结果
以上仅分析了温补均衡电路的S21，在实际工程使用中，还需要考虑电路的输入输出反射系数S11和S22。下面对图2的温补均衡子电路的S11和S22进行分析。
在端接负载为ZL时，从输入端向负载端的输入阻抗ZSL为：
$$ {Z_{{\text{SL}}}} = \frac{{{{\text{Z}}_{{\text{in}}}}(2{R_1} + R_3') + {R_1}({R_1} + R_3')}}{{{{\text{Z}}_{{\text{in}}}} + {R_1} + R_3'}} $$ (5) 在输入端接阻抗ZS时，从输出端向输入端的输出阻抗ZLS可表示为：
$$ {Z_{{\text{LS}}}} = \frac{{{{\text{Z}}_{{\text{in}}}}{R_3}({R_1} + {Z_{\rm{S}}}) + {R_1}{R_3}({{\text{Z}}_{{\text{in}}}} + {R_1} + {Z_{\rm{S}}})}}{{{{\text{Z}}_{{\text{in}}}}({Z_{\rm{S}}} + {R_1}) + ({R_1} + {R_3})({{\text{Z}}_{{\text{in}}}} + {R_1} + {Z_{\rm{S}}})}} $$ (6) 同样令f=f0， S11和S22分别为：
$$ {S_{11}} = \frac{{{Z_{{\rm{SL}}}} - {Z_{\rm{S}}}}}{{{Z_{{\rm{SL}}}} + {Z_{\rm{S}}}}} = \frac{{2{R_1} + R_3' - {Z_{\rm{S}}}}}{{2{R_1} + R_3' + {Z_{\rm{S}}}}} $$ (7) $$ {S_{22}} = \frac{{{Z_{{\rm{LS}}}} - {Z_{\rm{L}}}}}{{{Z_{{\rm{LS}}}} + {Z_{\rm{L}}}}} = \frac{{{R_3}//(2{R_1} + {Z_{\rm{S}}}) - {Z_{\rm{L}}}}}{{{R_3}//(2{R_1} + {Z_{\rm{S}}}) + {Z_{\rm{L}}}}} $$ (8) 当
$ f < < f{}_{\text{0}} $ 时， S11和S22可以简化为：$$ {S_{11}} = \frac{{{R_1} + {R_2}//({R_1} + R_3') - {Z_{\rm{S}}}}}{{{R_1} + {R_2}//({R_1} + R_3') - {Z_{\rm{S}}}}} $$ (9) $$ {S_{22}} = \frac{{[({R_1} + {Z_{\rm{S}}})//{R_2} + {R_1}]//{R_3} - {Z_{\rm{L}}}}}{{[({R_1} + {Z_{\rm{S}}})//{R_2} + {R_1}]//{R_3} + {Z_{\rm{L}}}}} $$ (10) 由式(9)和(10)可知，温补均衡电路输入输出反射系数随热敏电阻R3的变化而变化，即随环境的温度变化而变化。
为简化分析，采用Matlab软件对|S11|和|S22|进行编程计算分析，其仿真结果如图4和图5所示。由仿真结果可知：随着温度的升高，热敏电阻R3阻值逐渐变大，使得|S11|和|S22|逐渐降低；而在相同条件下，输入反射系数|S11|优于输出反射系数|S22|。由于热敏电阻R3随温度降低而阻值减小，使得反射系数绝对值变大，从而导致输出驻波恶化，不满足工程实用需求。
在实际的系统应用中，为解决温补均衡电路输入输出反射系数随环境温度变化而变化的难题，需要在温补均衡电路的输入和输出端增加90°电桥，以实现温补均衡电路与外部电路的隔离，从而改善其输入输出端的反射系数，如图1所示。该电路的工作原理为射频输入信号首先进入90°电桥，然后分成两路幅度相等、相位相差90°的射频信号，两路信号依次经过温度补偿子电路、均衡子电路，分别实现温补、均衡功能后经90°电桥进行合成得到射频输出。而对于温度补偿子电路、幅度均衡子电路的反射信号则会输出到90°电桥的隔离端被隔离电阻吸收，从而达到改善温补均衡电路反射系数的目的。
图 4 温补均衡器反射系数S11的仿真结果
图 5 温补均衡器反射系数S22的仿真结果
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结合实际应用，某宽带微波收发系统需要实现带宽为12 GHz的温补均衡功能，幅度均衡量要求3 dB，高低温温补范围为±3 dB。结合前述的一体化温补均衡器设计原理以及给定的技术指标，提出了一种温补均衡器电路，其HFSS结构模型如图6所示。考虑到实际情况中因压焊金丝带来的性能指标误差，电路模型中加入了额外的微带支节以用于优化均衡线性度和回波损耗等指标。
图 6 一体化温补均衡器仿真模型
为获得温补均衡器的幅度均衡特性，热敏电阻采用了温度为+85℃时的边界值500 Ω进行仿真。通过对图6所示电路模型进行仿真和优化，获得了均衡器幅度均衡仿真结果，如图7所示。由图7a可知，在温度为+85℃时，该温补均衡器在18 GHz处的插入损耗约为1.1 dB，而在6 GHz处的插入损耗约为4.9 dB，均衡量为3.8 dB，整个频段的输入输出驻波比优于1.6，如图7b所示。
图 7 一体化温补均衡器仿真结果
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为了验证所提出的一体化温补均衡器电路，本文采用了薄膜制造技术，基片采用氧化铝陶瓷(Al2O3)，电路采用镀金薄膜，固定电阻采用TaN薄膜电阻，阻值精度为±5%，热敏电阻采用厚膜工艺制造，其实物如图8所示。由于加入了额外的微带调试支节，电路幅度均衡量实现了3 dB和5 dB可调。图9给出了温补均衡电路在3 dB和5 dB均衡条件下的全温测试结果。在高温85℃时，均衡器在18 GHz处的插损约为2.3 dB，在低温−55℃时18 GHz处插损约为9 dB，高低温温补量为6.7 dB。在全温状态下，均衡器在全频段的驻波比小于2.5，能够满足实际应用需求，达到了预期效果，其测试结果与仿真结果近似吻合。
图 8 一体化温补均衡器实物
图 9 一体化温补均衡器全温测试结果
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本文采用温补、均衡综合技术，研制了一种宽带一体化温补均衡器。其仿真与测试结果的一致性验证了此技术的有效性和可行性，满足工程应用需求。该温补均衡器设计方法可广泛应用在超宽带微波收发系统中，具有较高的工程应用价值。
Integrated Design of an Equalizer with Temperature Compensation
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摘要: 提出一种工作在6～18 GHz的温补均衡器的一体化设计方法，该均衡器的核心电路由温度补偿电路、幅度均衡电路及3 dB电桥构成。温度补偿电路与幅度均衡电路采用一体化设计，可以提高在系统中的集成度。同时利用3 dB电桥的隔离特性，改善温补均衡器的输入输出驻波。测试结果表明，所加工的温补均衡器在6～18 GHz频段范围内能够实现3～5 dB的幅度均衡量、6 dB的温度补偿。Abstract: This paper proposes an integrated design method for the temperature-compensated equalizer, which operates in the frequency range of 6 GHz to 18 GHz. The equalizer is composed of temperature compensation circuit, amplitude equalization circuit and two 3-dB couplers. The integrated design of temperature compensation and amplitude equalization circuits can further improve the integration of a system. In the meantime, the utilization of the intrinsic isolation character of the 3-dB coupler also improves the input/output return loss of the temperature-compensated equalizer. The measurement results show that the fabricated temperature-compensated equalizer can achieve an amplitude equalization of 3～5 dB and temperature compensation of 6 dB over the entire frequency range of 6 GHz to 18 GHz.
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Key words:
- 3 dB coupler /
- 90° coupler /
- amplitude equalizer /
- temperature-compensated attenuator
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