ADS设计电调衰减器

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AGC电路来控制其动态范围已不能满足动态要求，因此衰减器得到广泛应用。目前衰减器已发展有多种结构，除了电阻衰减网络以外，近年来又发展了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]。有时为了固定传输系统内传输功率的功率电平，传输系统内必须接入衰减器，对微波产生一定量的衰减。衰减量固定不变的称为固定衰减器；衰减量可在一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引起：一种是由于网络内部有损耗，吸收了所通过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]。

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]。

本文针对中国自主开发的TD-SCDMA标准，设计实现了一款预失真系统中必不可少的关键部分：2.3~2.4GHz电调衰减器。电调衰减器的主要指标有：工作频带、输入输出反射、起始衰减量、衰减量和衰减量的变化规律等。

2 工作原理

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用到PIN管时，二极管的工作状态还主要取决于其直流偏置状态。如PIN二极管处于正向偏压时，由于正向电流己使i层中存储电荷，所以不管微波信号的正负极性如何，都可以维持导通状态。而反向偏置时，微波信号频率足够高，其正半周信号来不及将载流子注入到i层，因此二极管处于截止态。这样，PIN二极管所呈现的阻抗大小，只取决于直流偏置，而与微波信号无关。因此，我们就可以用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]。

PIN管电调衰减器的电路结构形式有很多，如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]

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为隔离端，端口3、4为等幅IQ输出端；当分支电桥的端口1加入功率时，端口3、4为等幅正交信号，如果端口3、4存在反射信号，则在端口2叠加，而在端口1相互抵消。利用此关系可构成输入输出端口具有良好匹配性能的电调衰减器。图1中在端口3、4接PIN二极管，加正偏压时，PIN等效为电阻R f，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

0f f 00f 00f Z 2R R Z Z R Z Z R +=++−+=Γ）（）（

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

)21lg(202R lg(

201l 100

f 2

f

f

R Z R Z g

+

=+=Γ

=α

当正偏流由小变大时，R f 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）。

（1）3dB

分支电桥综合模型

（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）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）

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。

（1）电路原理图