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ADS的衰减器设计

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利用ADS 设计电调衰减器例子

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利用 ADS 设计电调衰减器 马景民 1 罗正祥 2 羊恺 3 曾成 4 罗建 5 (电子科技大学光电信息学院,成都 610054)1、2、4、5(电子科技大学空天科学技术研究院,成都 610054)3 摘要:本文利用 ADS 仿真软件高效快速的设计了 S 波段窄带电调衰减器,此衰减器主要分为 3dB 分支电桥和 PIN 二极管两部 分,射频信号为 2.3~2.4GHz,直流调谐电流范围为 0.02~6.32mA,传输衰减范围为 0.9 ~19.8dB,带内反射均优于 16dB,基 本达到了设计目标。 关键词:S 波段;电调衰减器;3dB 分支电桥;PIN 二极管 1 引言 现代通信对整机动态范围要求越来越大,单用 PIN二极管由两层高掺杂半导体材料夹了一层 高阻本征半导体I层组成,其等效阻抗随着不同的 偏压条件而变化[4]。当微波信号和直流偏置同时作 AGC电路来控制其动态范围已不能满足动态要求, 用到PIN管时,二极管的工作状态还主要取决于其 因此衰减器得到广泛应用。目前衰减器已发展有多 直流偏置状态。如PIN二极管处于正向偏压时,由 种结构,除了电阻衰减网络以外,近年来又发展了 于正向电流己使i层中存储电荷,所以不管微波信 PIN二极管构成的电调衰减器,GaAs MESFET T型衰 减器,在此基础上发展了多位数控衰减器[1]。有时 号的正负极性如何,都可以维持导通状态。而反向 偏置时,微波信号频率足够高,其正半周信号来不 为了固定传输系统内传输功率的功率电平,传输系 及将载流子注入到i层,因此二极管处于截止态。 统内必须接入衰减器,对微波产生一定量的衰减。 这样,PIN二极管所呈现的阻抗大小,只取决于直 衰减量固定不变的称为固定衰减器;衰减量可在一 流偏置,而与微波信号无关。因此,我们就可以用 定范围内调节的称为可变衰减器。衰减器是一种双 端口网络,双端口网络的衰减主要由以下两种原因 较小的直流功率来控制PIN二极管的工作状态,从 而控制较大的微波功率[5]。 引起:一种是由于网络内部有损耗,吸收了所通过 PIN管电调衰减器的电路结构形式有很多,如 的电磁波的一部分功率而造成衰减,这种衰减器称 为“吸收衰减”;另一种是由于电磁波在网络输入 环行器的单管衰减器,3dB定向耦合器的双管衰减 器,多管反射式或吸收式衰减器等[1]。本文所设计 端的反射而引起的衰减,这种衰减称为“反射衰 减”。应用这两种衰减原理制成的衰减器有吸收式 衰减器和反射式衰减器[2]。 的电调衰减器为3dB分支电桥电调衰减器,原理图 如图1所示[5] 电调衰减器是一种控制射频信号输出功率的 部件,它是自适应干扰抵消系统中的关键部件。目 前电调衰减器有两种结构:一种是机电式,它是通 过伺服电机控制两个耦合线圈的耦合系数,从而达 到幅度控制。这种衰减器结构复杂,惰性大.跟踪 性能差;另一种是全电子式,它利用PIN二极管的 电导调制特性来达到幅度控制。这种衰减器结构简 单、响应时问短、跟踪特性好[3]。 图 1 3dB 分支电桥电调衰减器原理图 由上图可知,分支电桥端口1作为输入,则端口2为 本文针对中国自主开发的TD-SCDMA标准,设计 隔离端,端口3、4为等幅IQ输出端;当分支电桥的 实现了一款预失真系统中必不可少的关键部分: 端口1加入功率时,端口3、4为等幅正交信号,如 2.3~2.4GHz电调衰减器。电调衰减器的主要指标 果端口3、4存在反射信号,则在端口2叠加,而在 有:工作频带、输入输出反射、起始衰减量、衰减 端口1相互抵消。利用此关系可构成输入输出端口 量和衰减量的变化规律等。 具有良好匹配性能的电调衰减器。图1中在端口3、 2 工作原理 4接PIN二极管,加正偏压时,PIN等效为电阻Rf,再 串联50Ω电阻R,用微带短路器进行微波接地。则 在3、4端口的反射系数是 Γ =(R f + Z0)− Z0 = R f (R f + Z0)+ Z0 R f + 2Z0 两只PNI管(Vj1和Vj2)的反射波在2口叠加,因此由 1端口到2端口的衰减量是 α = 10lg 1 Γ2 = 20 lg( R f + 2Z0 ) Rf = 20 lg(1 + 2Z0 ) Rf 当正偏流由小变大时,Rf随之减少,衰减量也由小 到大。此结构只要两只PIN二极管的性能一致,分 支电桥设计合理,就可以获得良好的衰减特性。 3 电路设计 本文的设计目标为S波段窄带电调衰减器,其 工作频率范围为2.3~2.4GHz。利用仿真软件ADS设 计得到了系统整体的电路,此设计主要有分支电桥 和PIN二极管构成。由于各个组成部分的指标均会 影响电路的整体性能,因此,本文利用ADS仿真软 件进行了整体电路的仿真设计,大大减小了各部分 不连续性对整体电路的影响。本设计所用介质基片 的相对介电常数为9.6,厚度为0.8mm。 3.1 3dB 分支电桥的设计 根据设计要求,本文采用了3dB分支电桥作为 正交耦合电桥,其特点是具有良好的幅度和相位平 衡性。利用ADS软件中Passive Couplers的综合功 能(模型见Passive Circuit DG – Couplers/BLCplr,如图2(1)),可直接得到3dB 分支电桥。综合分支电桥的电路结构图见图2(2)、 仿真结果见图2(3)。 (2)3dB 分支电桥电路结构 (3)3dB 分支电桥综合结果 图 2 3dB 分支电桥的综合 为了便于电调衰减器的整体设计,须将端口略 作调整,然后对各个线段的长度与宽度进行细微的 调整和优化优化,最终的电路结构和仿真结果如图 3所示。 (1)3dB 分支电桥综合模型 (1)电路结构 (2)仿真结果 图 3 最终电路结构与仿真结果 由图可知,此3dB分支电桥在2.35GHz处的传输损耗 小于3.5dB,输出幅度相差0.6dB,输出相位相差 89.994°,且表现出良好的反射系数和输出端口的 隔离度。 3.2 PIN 二极管偏置电压的确定 本文选用的PIN二极管是Agilent公司的 HSMS-3810,此二极管是专门为低失真衰减器而设 计的,其特性参数见表1、等效电路及直流偏置状 态见图4 表 1 HSMS-3810 的特性参数 图 5 HSMS-3810 在 ADS 中的建模与仿真结果 由上图可知,ADS 中对 HSMS-3810 建立模型的偏 置状态与资料所给参数基本吻合,在 0.01~100mA 的偏置电流范围内,等效电阻范围为 1800~10Ω, 并且电阻值随着电流的增大而减小。 3.3 电调衰减器的实现 根 据 上 文 设 计 的 3dB 分 支 电 桥 , 以 及 建 立 的 HSMS-3810 模型,得到电调衰减器的仿真结果如图 6,其中(1)电路原理图、(2)直流仿真、(3)射 频衰减、(4)带内反射。整体结构设计时,要充分 考虑直流通道中的射频隔离和射频通路中的直流 隔离问题。 图 4 HSMS-3810 等效电路及直流偏置状态 根据等效电路模型,在 ADS 中对其建模及仿真结 果见图 5 所示,其中横坐标为电流(单位:A)、纵 坐标为电阻(单位:Ω) (1)电路原理图 (2)直流仿真结果 (3)射频衰减仿真 内的3dB分支电桥电调衰减器。该衰减器主要有3dB 分支电桥电和PIN二极管组成。本文利用Agilent公 司的ADS仿真软件先分别设计仿真了3dB分支电桥 电和PIN二极管,然后对此设计做了整体性仿真。 仿真结果表明,在射频信号2.3~2.4GHz范围内,该 电调衰减器在衰减量、衰减范围、传输平坦度、带 内反射等方面均表现出了良好的性能,基本符合设 计要求。 参考文献: 1 刘建更.电调衰减器及其应用.半导体情报.1995.8. 32,4:27-30 2 焦少梅.衰减器和移相器在微波传输技术中的应用.家 电检修技术.2006.12:11-13 3 马广义.大功率电调衰减器的分析与设计.西安电子科 技大学学报.1992.12.19,4:81-87 4 侯世谆.0.5~1OGHz 小型微波电调衰减器:89-91 5 吴加荣.基于预失真方法的线性功率放大器设计.南京 理工大学硕士论文.2006.6 (4)带内反射仿真 图 6 电调衰减器的仿真结果 图6(2)为直流偏置中电流(单管)与电压的关系, 图6(3)、(4)为单管直流扫描电流为ii=0.01~10mA 时的,射频仿真结果。由图6(3)、(4)可知, 此分支电桥衰减器带内最小衰减为0.88±0.06dB, 此时带内反射优于16.8dB,直流电流为0.01mA(单 管);带内最大衰减为19.84±0.70 dB,此时带内 反射优于25dB,直流电流为3.16mA。此电调衰减器 在衰减量在0.9~19.8dB范围内,直流偏置电流(单 管)的调谐范围为0.01~3.16mA,由图6(2)可知, 对应的偏压调谐范围为26~212mV,并且其衰减量随 着偏置电压(电流)的增大而增大。 4 结论 本文设计了一个工作于2.3~2.4GHz频率范围

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