CN106936403A

CN106936403A - 一种基于缺陷地结构的超宽带幅度均衡器

Info

Publication number: CN106936403A
Application number: CN201710191942.6A
Authority: CN
Inventors: 夏雷; 刘伶; 李博; 覃丽容; 吕俊杰; 延波; 徐锐敏
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2017-03-28
Filing date: 2017-03-28
Publication date: 2017-07-07

Abstract

本发明公开了一种基于缺陷地结构的超宽带幅度均衡器，从信号输入到输出，依次设置输入端口、输入匹配电路、主传输线、输出匹配电路、输出端口，介质基板下的金属地层设置加载电阻的DGS，本发明的幅度均衡器具有超宽带、尺寸小、结构简单的特性，易于制作和大规模生产，值得在业内推广。

Description

一种基于缺陷地结构的超宽带幅度均衡器

技术领域

本发明属于微波毫米波集成技术领域，具体涉及一种基于缺陷地结构的超宽带幅度均衡器。

背景技术

均衡器主要运用于现代雷达电子战中，它连接在大功率行波管输入或输出端，起增益均衡(幅度均衡器)或相位均衡(相位均衡器)的作用。关键是如何选择性吸收多余微波能量，同时不让能量反射回输入端口。对于采用谐振结构吸收能量的幅度均衡器而言，要满足前者需要正确的设置谐振结构和吸波材料，要满足后者需要在整个频段内有良好的输入输出匹配。

幅度均衡器的技术指标。1、幅度均衡器传输特性曲线应正好与行波管放大器传输特性曲线互补，故要求有较高的均衡精度；2、系统的传输特性曲线大致呈抛物线型，故要求均标准幅度衡器结构具有倒钟型传输特性曲线；3、系统增益带内波动大，故均衡量(S(2,1))在某些频点可能小于-10dB；4、为了避免能量反射，要求驻波比(VSWR)较小；5、若系统的通频带宽，要求幅度均衡器具有宽频带特性；6、除此之外，随着设备空间日益拥挤，要求固态器件具有体积小、重量轻、可靠性好、便于集成等特性。

目前幅度均衡器的实现形式。大致分为两种：一、使用隔离器无耗均衡网络，使得均衡器反射回来的能量通过隔离器导出；二、使用有耗均衡网络，由能吸收能量的谐振器、匹配电路、主传输线组成。谐振器选择频率，电阻或吸波材料吸收能量，匹配电路调节驻波比。使用隔离器无耗均衡网络的幅度均衡器驻波比容易做得很小，但是需要设计隔离器，体积较大，且不利于电路集成，宽带隔离器实现困难；使用有耗均衡网络的幅度均衡器在微波毫米波领域应用广泛，形式多样，有a)集总参数型、b)波导型和同轴型(立体电路)、c)集成传输线型(平面电路)。

a)集总参数型幅度均衡器，元器件受寄生参数的限制,不适合用在高频段；

b)立体电路幅度均衡器，主传输线可以是波导或同轴，谐振器可以是波导或同轴谐振腔。主传输线上的能量通过孔耦合或探针耦合进入谐振腔内，腔内有吸波材料吸收能量。此类幅度均衡器可调衰减范围大，调节自由度高，承受的功率容量大，但体积大、结构复杂、机械稳定性差、设计和加工难度大；

c)平面电路幅度均衡器，主传输线可以是微带线、带状线、共面波导等集成传输线，谐振器是利用开路或短路的谐振枝节构成，吸收能量的电阻加载在谐振枝节中，或谐振枝节与主传输线的缝隙处。此类幅度均衡器的谐振枝节长度与工作频率成反比、单个谐振枝节的均衡量较小。

综上所述，有耗均衡网络的幅度均衡器的谐振器加载在旁路，将主传输线上的能量耦合到谐振器中吸收，耦合量很大程度上依赖于耦合结构。立体电路体积庞大，结构复杂，不便调试；而平面电路谐振枝节长度与波长成正比，微波频率低端尺寸较大；单个谐振枝节的带宽窄，电阻吸收能量有限。

缺陷地结构(DGS，Defected Ground Structure)是在微带线金属接地板上刻蚀出图形，以扰乱接地板上电流分布，从而改变微带线的分布电感和分布电容，呈现出慢波效应和宽阻带特性。微波器件运用DGS可以获得常规技术无法实现的小型化和高性能，具有构造紧凑、制作简单、体积小等优点，现在DGS已应用于小体积高性能的天线、谐振器、振荡器、滤波器、功分器、耦合器、放大器。

本发明是有耗均衡网络平面电路幅度均衡器中的一种，利用DGS的带阻特性代替传统的谐振器，将电阻直接加载在DGS上吸收多余能量。这种结构的等效电路亦和传统结构不同，体积小且具有很好的宽频带特性。

与本发明类似的现有技术及缺点

枝节谐振微带型幅度均衡器为最常用见平面电路幅度均衡器，通过改变谐振枝节的尺寸、形状、数目、开路或短路特性、主传输线匹配电路等，可以演变出多种结构。这种结构的谐振器在微带线旁，由谐振枝节组成。近来也有少量文献报道，在传统的平面电路幅度均衡器中额外引入DGS能改变主传输线的特性阻抗，从而可以显著的改善均衡量和带宽，如在金属接地层引入哑铃型或“C”型DGS。这种结构在去掉DGS后，仍然是一个具有完整功能的幅度均衡器，额外引入的DGS是为了改善原有幅度均衡器的特性。这种方法本质上还是通过加载在微带线旁的谐振枝节构成谐振器，谐振器与主传输线并联。

缺点一：传统的平面电路幅度均衡器波长与谐振枝节尺寸成正比，微波频率低端谐振枝节较长，对谐振枝节进行折叠又可能因距离太近存在能量耦合；

缺点二：传统的平面电路幅度均衡器单个谐振器吸收能量较小且工作带宽窄；

缺点三：若采用传统的平面电路幅度均衡器加载DGS，DGS和原有的谐振器同时存在，场分布相对复杂，难于理论分析，且调试困难。

发明内容

本发明采用如下技术方案：

一种基于缺陷地结构的超宽带幅度均衡器，其特征在于包括介质基片(8)、输入输出端口、输入输出匹配电路、主传输线(5)和加载电阻的DGS；所述输入输出端口包括输入端口(1)、输出端口(7)；所述输入输出匹配电路位于介质基片(8)的信号层，包括输入匹配电路(2)、输出匹配电路(6)；所述主传输线(5)的一端通过输入匹配电路(2)与输入端口(1)连接，主传输线(5)的一端的另一端通过输出匹配电路(6)与输出端口(7)相连；所述加载电阻的DGS位于该幅度均衡器的介质基片(8)下的金属地层，所加载的电阻位于DGS上。

所述加载电阻的DGS可以是一个或多个加载电阻的“I”型、“C”型、“H”型、“E”型、“L”型、哑铃型、螺旋电感型DGS，DGS位于金属地层，数目不少于1个，同种DGS大小可以不同。

所述加载电阻的DGS包括“I”型DGS一(3)、放置在“I”型DGS一(3)上的电阻R’(10)、“I”型DGS二(4)、放置在“I”型DGS二(4)上的电阻R(9)，“I”型DGS数目长宽、内侧边缘距离、电阻值需由给定的工作频率和性能要求确定，可以变动。

该幅度均衡器的工作波段范围为12-40GHz，最大均衡量达15dB，回波损耗优于16dB，VSWR<1.35。

输入输出匹配电路可以共用一个电路。

本发明所要解决的问题：

1、传统的平面型幅度均衡器采用能量耦合机制导致的均衡量较小、单个谐振器工作频带窄的问题；

2、平面型幅度均衡器额外加载DGS，因DGS和原有的谐振器同时存在阻抗突变导致结构复杂、调试困难的问题。

本发明主要创新点：

在微带传输线金属地层设置DGS，利用其自有的宽阻带特性取代了传统的谐振器的功能，拓展了带宽，且结构简单、体积小；将电阻直接加载在DGS上，等效为电阻直接串联在主传输线上，提高了均衡量。

本发明有益效果：

本发明结构简单且频带宽。由后面介绍的完整技术方案与结构(见附图)可知，此发明具有结构简单、体积小、易于调试和加工的特性，结构可以简单到由一条主传输线和两个加载电阻的缝隙组成，面积为8×8mm²。在设计、研发、生产、测试成本异常高昂的军事应用领域，结构简单、易于加工和易于调试特性能显著减小成本、缩小生产周期；小体积能为拥挤的电子设备提供更多的可利用空间。优良的性能主要体现在超宽频带特性，实施例表明此类幅度均衡器已具有4倍频程带宽，实现了对Ku、K、Ka波段的全覆盖，调节设计尺寸和采用多级DGS能工作在更宽频段(当然也可在一定程度上减小频带宽度)。具有超宽频带特性的谐振器设计通常是个难点，而在超宽带雷达与通信领域宽带幅度均衡器不可或缺，此类幅度均衡器为超宽带幅度均衡器的设计提供了一种简便可行的方法，故此值得大规模生产，值得在业内推广。

高频结构仿真器(HFSS，High Frequency Structure Simulator)对三维模型的全波仿真证实，本发明一具体实施例的幅度均衡器可工作在Ku、K、Ka波段(12-40GHz)，呈倒钟型传输特性曲线，最大均衡量达15dB，回波损耗优于16dB，VSWR<1.35，在4倍频程的频带宽度内取得了较好的特性，面积8×8mm²。而通过改变设计参数和增加DGS数量可以改变工作中心频率和带宽，其中DGS尺寸主要决定中心频率，电阻主要决定均衡量，驻波比与诸多参数有关，通过选用匹配结构可以显著改善。

针对问题1，本方案在微带线幅度均衡器中引入DGS，原因是引入DGS可以有效减小器件体积。DGS本身具非常宽的工作带宽，若采用多级DGS能拓展带宽；

针对问题2，本方案将吸收射频能量的电阻设计在DGS上。DGS具有宽阻带特性，故可以替代传统的谐振器，不需要同时在信号层设计谐振枝节，结构简单，调试方便。

故本发明主要由主传输线、输入输出端口、输入输出匹配电路、加载电阻的DGS组成，如图1所示。整个电路采用微带线设计成平面电路，微波信号从50欧姆的标准微带线输入端口进入，经输入匹配电路进行阻抗变换后在主传输线上传输，主传输线线宽根据功率容量和其它技术指标需要确定。主传输线下的金属地部分被挖空(即DGS)，导致主传输线分布电容和电感发生变化，这种结构可以替代平面微带谐振枝节的作用，具有频率选择特性和宽带特性。在DGS上加载电阻，因为DGS破坏了主传输线在金属地的电流，此结构等效为电阻直接串联在主传输线上，当电阻位于表面电流最大的位置时能明显的吸收微波能量。当能量传输到此处时，不同频率的信号被电阻吸收量不一样，形成倒钟型传输特性曲线。之后微波信号由输出匹配电路进行阻抗变换后，经50欧姆的标准微带线输出端口输出，输入匹配电路和输出匹配电路能有效地改善驻波比。在不断地仿真调试过程中发现，通过调节DGS尺寸和电阻大小能在很宽的频率范围内改善驻波比，提高微带主传输线线宽可以减弱引入DGS结构造成的特性阻抗增高效应，此方法可解决宽带匹配的难题，故输入输出匹配电路不是必须有的。

优选地，所述平面型幅度均衡器采用微带传输线实现，结构简单，易于加工；

优选地，所述平面型幅度均衡器介质基片采用单层Al2O3Al₂O₃陶瓷基板，它有较大的介电常数，可以减小器件体积；

优选地，所述输入输出端口采用50欧姆标准微带线，便于与其它器件连接；

优选地，所述DGS采用“I”型DGS，共含有两级“I”型DGS，位于主传输线下。每个“I”型DGS大小相等，且主传输线将其分为对称的两部分。每个“I”型DGS都具有宽阻带特性，且调试方便，两级“I”型DGS可拓展带宽；

优选地，所述电阻采用TaN薄膜电阻，加载在“I”型DGS中部(主传输线正下方)，两个电阻大小根据仿真需要设定。电阻大小影响驻波比和均衡量，电阻值越大均衡量越大。

附图说明

图1是本发明一种基于缺陷地结构的超宽带幅度均衡器立体结构图；

图2是本发明一种基于缺陷地结构的超宽带幅度均衡器沿图1中A-A′方向剖视图；

图3是本发明中主传输线所在平面的示意图；

图4是本发明中加载电阻的DGS所在平面的示意图；

图5是本发明中一具体实施例S参数的HFSS仿真结果；

图6是本发明中一具体实施例的输入驻波比的HFSS仿真结果。

附图标记说明：1、输入端口；2、输入匹配电路；3、“I”型DGS一；4、“I”型DGS二；5、主传输线；6、输出匹配电路；7、输出端口；8、介质基片；9、电阻R；10、电阻R’。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

如图1-4所示，本发明的基于缺陷地结构的超宽带幅度均衡器，包括主传输线5、输入输出端口、输入输出匹配电路、加载电阻的DGS。主传输线5是位于介质基片8之上的微带传输线。输入输出端口包括输入端口1、输出端口7，分别位于器件的输入端和输出端。输入输出匹配电路(非必要结构)包括输入匹配电路2、输出匹配电路6，输入匹配电路2位于输入端口1与主传输线5之间，用于改善输入驻波比；输出匹配电路6位于主传输线5与输出端口7之间，用于改善输出驻波比。加载电阻的DGS包括“I”型DGS一3、电阻R’10、“I”型DGS二4、电阻R9，位于主传输线5正下方，在介质基片8之下。“I”型DGS一3和“I”型DGS二4均为在微带线金属地层上挖的狭长缝隙，电阻R’10和电阻R 9分别接在“I”型DGS一3和“I”型DGS二4上。

以下以一具体实施例对本发明一种基于缺陷地结构的超宽带幅度均衡器作详细的说明，以进一步展示本发明的优点：在本实施例中，整个结构传输线采用微带线，介质基片采用单层Al2O3Al₂O₃陶瓷基板,厚度为h＝0.254mm。输入端口1和输出端口7微带线线宽w0＝0.25mm，中间主传输线5的线宽w0＝0.65mm，长l0＝1mm。DGS采用两级“I”型DGS，位于金属地层。“I”型DGS一3和“I”型缺陷地结构二4大小一样，且关于矩形介质基板的两条对称轴对称，缝隙长l1＝3.4mm，宽w1＝0.24mm，两者内侧边缘距离d＝0.85mm。电阻R’10和电阻R 9采用陶瓷电阻分别接在“I”型DGS一3和“I”型DGS二4缝隙中间，连接方向与主传输线5上的信号传输方向一致，电阻值大小分别为R’＝50欧姆，R＝200欧姆。基于此结构和尺寸，驻波比已经很好，故未在信号层设计输入匹配电路2和输出匹配电路6。图5-6给出了此实施例的HFSS三维全波仿真结果，可以看出驻波比、回波损耗、均衡量都非常好。

值得说明的是：主传输线5的线宽设置得比50欧姆线更宽，能有效的改善驻波比；输入匹配电路2和输出匹配电路6形式多样，可借用微波/射频电路的匹配方法，不一定要设计在信号层，在驻波比良好的情况下也可省去输入输出匹配电路；加载电阻的DGS位于金属地层，DGS可有多种，如“I”型、“C”型、哑铃型、螺旋电感型、“H”型、“E”型、“L”型等，可混合使用，也可采用多级DGS。电阻值和放置位置因DGS而异，在满足加工和安装的前提下，应使幅度均衡器性能最优。

本发明一种基于缺陷地结构的超宽带幅度均衡器的工作过程为：微波信号从输入端口1馈入，经输入匹配电路2进行阻抗变换后在主传输线5上传输。主传输线下的DGS(即实施例中的“I”型DGS一3和“I”型DGS二4)使主传输线分布电容和电感发生变化，替代了平面微带谐振枝节的作用，具有频率选择特性和宽带特性。将电阻R’10和电阻R 9分别接在“I”型DGS一3和“I”型DGS二4缝隙中间，因为DGS改变了主传输线5在金属地上的电流，电阻等效为直接串联在主传输线5上，故整个频段内均衡量随着电阻值增大而增大，刚好与传统的平面型幅度均衡器相反。由仿真结果知电阻R’10和电阻R 9的安放位置正好对应25GHz信号的电压波节点，此频率信号表面电流最大，对应的均衡量最大，随着信号频率逐渐远离谐振中心，吸收能量也依次减弱。因为DGS的宽阻带特性，故能在很宽频带内形成倒钟型传输特性曲线。微波信号由输出匹配电路6进行阻抗变换后，经输出端口7输出。

本发明提供的一种基于缺陷地结构的超宽带幅度均衡器，在微带主传输线下的金属地层做出DGS，将电阻直接加载在DGS上，起到了原来幅度均衡器中谐振器的作用，具有超宽带、结构简单的特性。HFSS对三维模型的仿真证实，该结构可工作在12-40GHz，工作带宽横跨Ku、K、Ka波段，最大均衡量优于15dB，回波损耗优于16dB，输入驻波比小于1.35，尺寸为8×8mm²。与现有的平面型幅度均衡器相比，本发明扩展了带宽，缩小了尺寸，且结构简单，为宽带小型化幅度均衡器设计提供了新方法。本发明的结构易于制作和大规模生产，值得在业内推广。

应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲述的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims

1.一种基于缺陷地结构的超宽带幅度均衡器，其特征在于包括介质基片(8)、输入输出端口、输入输出匹配电路、主传输线(5)和加载电阻的DGS；所述输入输出端口包括输入端口(1)、输出端口(7)；所述输入输出匹配电路位于介质基片(8)的信号层，包括输入匹配电路(2)、输出匹配电路(6)；所述主传输线(5)的一端通过输入匹配电路(2)与输入端口(1)连接，主传输线(5)的另一端通过输出匹配电路(6)与输出端口(7)相连；所述加载电阻的DGS位于该幅度均衡器的介质基片(8)下的金属地层，所加载的电阻连接在DGS下。

2.根据权利要求1所述一种基于缺陷地结构的超宽带幅度均衡器，其特征在于，所述加载电阻的DGS可以是一个或多个加载电阻的“I”型、“C”型、“H”型、“E”型、“L”型、哑铃型、螺旋电感型DGS，DGS位于金属地层，数目不少于1个，同种DGS大小可以不同。

3.根据权利要求1或2所述一种基于缺陷地结构的超宽带幅度均衡器，其特征在于，所述加载电阻的DGS包括“I”型DGS一(3)、放置在“I”型DGS一(3)上的电阻R’(10)、“I”型DGS二(4)、放置在“I”型DGS二(4)上的电阻R(9)，“I”型DGS数目长宽、内侧边缘距离、电阻值需由给定的工作频率和性能要求确定，可以变动。

4.根据权利要求1所述一种基于缺陷地结构的超宽带幅度均衡器，其特征在于，该幅度均衡器的工作波段范围为12-40GHz，最大均衡量达15dB，回波损耗优于16dB，VSWR<1.35。

5.根据权利要求1所述一种基于缺陷地结构的超宽带幅度均衡器，其特征在于，输入输出匹配电路可以共用一个电路。