CN105390784A - 一种超宽带频段合成电路 - Google Patents

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赵爱英
孙龙华
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Abstract

本发明公开一种超宽带频段合成电路，包括直通通路和耦合通路，所述直通通路两端设置有低频段输入端口和合成输出端口，所述耦合通路两端设置有高频段输入端口和负载端口，所述直通通路和耦合通路由微带线组成，所述微带线由陶瓷片或白宝石片制成，所述微带线厚度和宽度均为0.127mm，所述微带线之间耦合缝隙为0.127mm，该超宽带频段合成电路能够满足250KHz-70GHz频段合成带宽要求、承受功率较大、频率高端损耗小于传统方法，节约高端功率。

Description

一种超宽带频段合成电路
技术领域
本发明涉及一种超宽带频段合成电路。
背景技术
随着测试技术的不断发展，对于微波测试仪器的要求是工作频率越来越高，工作频段越来越宽，目前采用同轴输出的微波测试仪器的工作频率高端要求已经达到70GHz，频段低端要求也达到250kHz，输出功率要求达到+20dBm以上(低频的输入功率可达+30dBm)，信号通路的谐波要求达到60dBc以上，如此宽频带的射频信号难以直接产生和处理，必须通过先分段后合成的方式来实现，这就给频段合成电路的工作带宽、承受功率、传输损耗提供了很高的要求。现有技术采用电子开关来实现频段合成，工作频段很难满足250kHz-70GHz的带宽需求，同时电子开关的压缩点比较低(受制于半导体特性，100MHz以下的低频压缩点很低，大多数产品仅给出100MHz以上的压缩点指标)，如果输入功率超过压缩点，就会导致传输信号的功率特性和频谱纯度受到极大影响。因此如何在测试仪器的输出端将各个频段的信号进行如此宽带的合成输出、并且能够承受较大的输入功率是目前面临的一个难点。
宽带频段合成技术是实现宽带信号发生的关键技术，多用于宽带测试仪器中，如何在信号通路的后端将分频段处理的信号合成为宽频段输出信号、尽量少的减少功率损耗和信号频谱恶化，是频段合成技术面临的主要问题。
现有技术主要是通过电子开关来实现宽带频段合成，一种技术是采用场效应管实现的MMIC开关，其工作原理是采用多个场效应管的通断来实现频段合成，原理框图如5所示，两个频段的信号分别从D1端口和D2端口输入，在D3端口合成后输出。它的特点是受制于场效应管的半导体自身特性，压缩点一般，工作带宽也难以做的很宽，要达到250KHz-70GHz全频段工作带宽，管子的尺寸和寄生参数要做的很小，工艺水平要求极高，但是过小的管子尺寸会降低其承受功率，带宽和功率指标难以兼容。现在仅有美国是德公司的1CG6-8054一款开关芯片达到了250kHz-70GHz带宽要求，其余最高频率仅工作到50GHz，其主要技术性能见图6所示，该开关的1dB压缩点(P-1dB)在100MHz-70GHz频段为+15dBm，50GHz的传输损耗为2.6dB，70GHz的传输损耗未给出。该技术可以满足低功率下的宽带频段合成。
另外一种技术是采用PIN二极管的MMIC开关实现，两个频段的信号分别从E1端口和E2端口输入，在E3端口合成后输出。其原理图如图7和图8所示：该技术采用了PIN二极管串并联方式来扩展带宽，其承受功率主要由串联的二极管烧毁功率决定，功率特性稍好于场效应二极管开关，其实现的难度也是带宽不够，承受功率有限，要达到70GHz的使用频率，PIN二极管必须要有很小的寄生参数才能实现，对半导体工艺的要求也极高，但是随着管子使用频率的提高，必然会带来尺寸的减小和管子的功率容量的降低，难以同时满足目前的实际需求。目前最好的宽带PIN开关为MA-COM公司的产品，为了获得良好的宽带特性，此开关采用了特殊的砷化铝钾工艺，覆盖了50MHz-50GHz的工作频率范围，频率上限可以扩展到70GHz，但性能指标不能保证；最大烧毁功率(远大于P-1dB)为+23dm，承受功率一般。该技术方式可以满足50MHz-50GHz的低功率频段合成。
第一种技术是采用场效应管实现的MMIC开关实现频段合成，其频率范围基本满足250kHz-70GHz的频段合成要求，但是其缺点是压缩点比较低，频率高端损耗较大。100MHz-70GHz频段的P-1dB为+15dBm(100MHz以下压缩点更低)，当输入功率接近+15dBm时，会带来谐波特性急剧恶化，因此只能用于小功率宽带频段合成的场合；并且其传输损耗随着工作频率的增加而逐渐增大，在50GHz为2.6dB，70GHz约为4dB，高端损耗较大。
第二种技术是采用PIN二极管MMIC开关实现频段合成，目前最好的宽带开关工作频率为50MHz-50GHz，频率最高勉强可以扩展到70GHz，但是其***损耗指标无法保证，同时其频率低端只能到50MHz，50MHz以下频段无法工作，此技术仅能勉强满足50MHz-70GHz的频段合成场合，带宽无法全部覆盖到250KHz-70GHz带宽。在功率方面，该技术未给出50MHz-50GHz频段P-1dB指标，仅给出烧毁功率为+23dm，按照技术原理推断P-1dB远低于+23dm，采用该技术超过+23dBm将造成开关烧毁，承受功率有限；在传输损耗方面仅在50GHz频段以下给出了性能指标，50GHz-70GHz频段没有给出具体指标。因此采用该技术既无法满足带宽要求，也无法满足输入功率较大的频段合成场合，其主要缺点是频带不够宽、承受功率不够高，高频损耗大。
综上所述，采用现有的两种技术都无法全部满足250kHz-70GHz频段合成电路对于带宽和输入功率的要求，并且其传输损耗随频率升高而增大，高端损耗大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能够满足250KHz-70GHz频段合成带宽要求、承受功率较大、频率高端损耗小于传统方法，节约高端功率的超宽带频段合成电路。
为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：
一种超宽带频段合成电路，包括直通通路和耦合通路，所述直通通路两端设置有低频段输入端口和合成输出端口，所述耦合通路两端设置有高频段输入端口和负载端口，所述直通通路和耦合通路由微带线组成，所述微带线由陶瓷片或白宝石片制成，所述微带线厚度和宽度均为0.127mm，所述微带线之间耦合缝隙为0.127mm。
作为优选，所述陶瓷片和白宝石片介电常数为9.6-9.9。
作为优选，所述超宽带频段合成电路适用于250KHz-70GHz超宽带频段合成。
本发明的有益效果为：
1)工作频带宽：能够实现250KHz-70GHz测试仪器超宽带频段合成功能，频段合成的频率分段点可通过耦合微带的长度调整；
2)承受功率大：由于微带线结构未采用有源电路，其承受功率主要由组成电路的微带电路实现，承受功率优于宽带PIN开关和场效应管开关，很难恶化输出信号的谐杂波，信号的频谱纯度经过该电路后能够得到保持。
3)具有较低的高频功率损耗：频段合成电路的高频段损耗随频率的升高而减小，能够减少高频段输出功率的传输损耗。
附图说明
图1为本发明一种超宽带频段合成电路的结构示意图。
图2为本发明一种超宽带频段合成电路35GHz频段合成电路性能指标特性图。
图3为本发明一种超宽带频段合成电路40GHz频段合成电路性能指标特性图。
图4为本发明一种超宽带频段合成电路50GHz频段合成电路性能指标特性图。
图5一种是采用场效应管的MMIC开关原理图。
图6一种是采用场效应管的MMIC开关的压缩点曲线图。
图7一种采用PIN二极管的MMIC开关的原理图。
图8一种采用PIN二极管的MMIC开关的外部结构图。
具体实施方式
如图1所示，一种超宽带频段合成电路，包括直通通路1和耦合通路2，所述直通通路1两端设置有低频段输入端口3和合成输出端口4，所述耦合通路2两端设置有高频段输入端口5和负载端口6，所述直通通路1和耦合通路2由微带线组成，所述微带线由陶瓷片或白宝石片制成，所述微带线厚度和宽度均为0.127mm，所述微带线之间耦合缝隙为0.127mm。
所述陶瓷片和白宝石片介电常数为9.6-9.9。
所述超宽带频段合成电路适用于250KHz-70GHz超宽带频段合成。
本发明的工作原理：当微带线的基片介电常数为1，此时微带线变换为带状线，奇偶模相速度相等，根据定向耦合器的设计理论，，此时合成输出端口4奇模输出和偶模输出大小相同，幅值相反，输出的信号为0，输出此时微带线即为理想的定向耦合器结构，信号是以较小的损耗从直通端口6输出；然而由于微带线的介电常数大于1，微带线上方的空气和下方的介质材料介电常数不相等，从而使得微带线的奇偶模传输速度不相等，合成输出端口4上的奇偶模输出功率不能互相抵消，高频段输入端口5的信号就被合成输出端口4耦合输出，频率越高，耦合功率越大，从而实现频段切换合成功能，与传统的微带定向耦合器设计相比，微带线定向耦合器为了使合成输出端口4功率为0，介电常数尽量小，耦合结构的长度要短(四分之一波长)，从而使得奇偶模相速度相差小，隔离端口信号接近于0。而本发明正好相反，利用介电常数越大，奇偶模相速度差别越大的特点，选用介电常数高、耦合尺寸长的微带线，加大奇偶模相速度的差值，传输到合成输出端口4的功率不再为0，当频率升高时，其值不断增大，信号主要从端口4输出，传统的隔离端口变换为高频耦合信号端口；当频率较低时，其值较小，端口4依然近似为隔离端口，低频信号主要从端口6输出。
在使用时，高频信号从高频段输入端口5输入，低频信号从低频段输入端口3输入，合成信号从合成输出端口4输出，随着频率的升高，微带线的耦合加强，频率较高的输入信号会以较小的损耗耦合到另外一个通路，在直通通路1，频率较低的输入信号会以较小的传输损耗从3端口传输到合成输出端口4，频率较高的输入信号会耦合到耦合通路2的负载端口6，被负载吸收，使得直通通路1相当于一个低通滤波器，仅能传输频率较低的信号，用来作为频段合成的低频段通路；在耦合通路2，频率较低的输入信号会以较小的传输损耗传输到负载端口6，被负载吸收，频率较高的输入信号耦合到直通通路1的合成输出端口4，使得耦合通路2相当于一个高通滤波器，仅能传输频率较高的信号，用来作为频段合成的高频段通路；高低频段信号的传输方向都是向着合成输出方向，二者之间有较好的隔离，具有良好的方向性，最后高低频段信号在合成输出端口4完成合成，从而实现了宽带频段合成的功能。
实验例1
采用的陶瓷片和白宝石片介电常数为9.6，微带线厚度、宽度和耦合缝隙均为0.127mm，耦合长度分别为5.57mm、4.48mm和3.9mm，对应的耦合分段点频率分别为35GHz、40GHz和50GHz，将耦合结构的设计尺寸代入ANSOFT公司的Ensambel软件进行电磁仿真验证，得到频段合成电路性能指标特性图2-图4，其中a为低波段损耗，b为高波段损耗，c为高低波段隔离。
从图2-图4中可以看出，频段合成电路的工作带宽满足了250KHz-70GHz的带宽要求，分段点的频率和设计频率相差很小，高低频段之间的隔离大于25dB，两个频段的最大传输损耗为3.0dB,高频段在70GHz的传输损耗仅为0.3dB-1.4dB,优于开关方式实现的频段合成电路，在同等输入功率的情况下可有效提高高频输出功率。
本发明的有益效果为：
1)工作频带宽：能够实现250KHz-70GHz测试仪器超宽带频段合成功能，频段合成的频率分段点可通过耦合微带的长度调整；
2)承受功率大：由于微带线结构未采用有源电路，其承受功率主要由组成电路的微带电路实现，承受功率优于宽带PIN开关和场效应管开关，很难恶化输出信号的谐杂波，信号的频谱纯度经过该电路后能够得到保持。
3)具有较低的高频功率损耗：频段合成电路的高频段损耗随频率的升高而减小，能够减少高频段输出功率的传输损耗。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种超宽带频段合成电路，其特征在于：包括直通通路和耦合通路，所述直通通路两端设置有低频段输入端口和合成输出端口，所述耦合通路两端设置有高频段输入端口和负载端口，所述直通通路和耦合通路由微带线组成，所述微带线由陶瓷片或白宝石片制成，所述微带线厚度和宽度均为0.127mm，所述微带线之间耦合缝隙0.127mm。
2.根据权利要求1所述的超宽带频段合成电路，其特征在于：所述陶瓷片和白宝石片介电常数为9.6-9.9。
3.根据权利要求2所述的超宽带频段合成电路，其特征在于：所述超宽带频段合成电路适用于250KHz-70GHz超宽带频段合成。
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