均衡器是用於補償各種射頻系統頻率響應中的負增益斜率的器件。與具有平坦頻率響應的標準衰減器不同,均衡器是一種獨特的衰減器,其插入損耗隨着頻率的增加以某個確定的斜率線性變化。對於應用於寬帶場景的設計人員來說,這種特性對於頻率響應的補償起到重要作用。
例如,一個8dB固定斜率的均衡器可以與具有-8dB斜率的放大器級聯,以使得放大器具有平坦的帶內增益,如圖1a所示。同理,放大器也可以與更高斜率值的均衡器級聯,以產生正斜率的頻率響應,如圖1b所示。這種應用有時會用於補償射頻鏈路中其他器件的級聯響應,以實現更為平坦的整體系統增益斜率。
圖 1. 理想固定斜率均衡器應用
大多數通用 MMIC 放大器的工作頻率常覆蓋多個倍頻程,這种放大器通常表現出增益隨頻率降低的特性,高增益寬帶放大器尤其如此。對於需要在寬頻率範圍內保持一致功率增益一致性的寬帶應用,負增益斜率是主要的限制因素。放大器級聯是提高鏈路增益的常用手段,然而負增益斜率的放大器級聯會進一步降低增益平坦度,惡化系統設計指標。
解決該問題的其中一種方法是針對不同頻帶使用不同的放大器,在窄帶寬中具有特定的增益值。然而,成本、器件數量和電路板空間的限制都使得這種分段方法不切實際。系統設計師通常傾向在寬頻帶內使用具有平坦增益的器件,這就是均衡器的用武之地。將均衡器與寬帶放大器級聯可以通過犧牲一部分低頻增益補償放大器增益滾降,從而產生增益平坦的響應。此外,在放大器輸入端添加均衡器會惡化噪聲係數,而在輸出端添加均衡器會犧牲一定的輸出功率和效率,設計師必須確定哪個參數對整體系統性能具有更高的優先級。
有四種基本類型的均衡器可用,根據具體應用和所選放大器的不同,可以選擇合適的均衡器:
正斜率均衡器(圖 2a)具有隨頻率提高的插入損耗響應。這種類型的均衡器用於均衡具有正增益斜率的放大器或系統。
負斜率均衡器(圖 2b)表現出隨頻率降低的插入損耗響應。這種類型的均衡器用於均衡具有負增益斜率的放大器或系統,如下例所示。
正拋物線均衡器(圖3a)的插入損耗響應隨着頻率的增加呈拋物線形狀。這種類型用於均衡在頻帶邊緣具有低增益而在中心頻率附近具有高增益的系統中的增益變化。
負拋物線均衡器(圖3b)的插入損耗隨着頻率的增加呈與正拋物線均衡器相反的形狀,用於均衡頻帶邊緣增益高但中頻帶增益低的系統中的增益變化。
圖 2
圖 3
CM2104型低噪聲放大器與GM5106固定均衡器組合應用:
為了演示如何使用均衡器配合寬帶放大器實現平坦的增益曲線,在此示例中,我們將固定均衡器GM5106與CM2104型超寬帶低噪聲放大器配合使用。產業聯盟的GM5XXX系列均衡器晶片具有約60款覆蓋DC~18GHz,1~10dB斜率範圍的寬帶負固定斜率均衡器,允許用戶為其放大器所需的組合響應選擇合適的晶片。圖4、圖6分別顯示GM5101和GM5106的顯微鏡照片及頻率響應曲線,兩款固定均衡器的斜率分別為1dB和6dB,尊龙凯时人生就是搏的G5XXX均衡器系列產品可根據客戶需求定製相應封裝,圖5為封裝示意圖。
圖 4. 固定斜率均衡器顯微鏡照片
圖 5. 固定斜率均衡器封裝示意圖
圖 6. 均衡器GM5101頻率響應曲線
圖 7. 均衡器GM5106頻率響應曲線
CM2104超寬帶低噪聲放大器晶片的工作頻率範圍為0.2~0.7GHz,3.3V供電電壓工作狀態下噪聲係數低於0.6dB,帶內增益範圍24~20dB,CM2104的性能曲線如圖6、7所示。
圖 8. 低噪放CM2104電性能曲線 1
圖 9. 低噪放CM2104電性能曲線 2
GM5106均衡器晶片在0.2~0.7GHz頻帶內具有-5.5dB~-1.5dB的插入損耗,能夠將CM2104的增益均衡到約18dB的平坦增益響應。
圖 10. 低噪放CM2104與均衡器GM5106級聯小信號測試示意圖
GM5106均衡器晶片與CM2104超寬帶放大器級聯測試結果如下圖所示:
圖 11. 低噪放CM2104與均衡器GM5106級聯的頻率響應
測試結果表明,GM5106均衡器晶片對於CM2104低噪聲放大器晶片的增益均衡效果良好,帶內增益被均衡至17.8~18.8dB,增益平坦度優化幅度達3dB,同時級聯並未對輸入輸出回波損耗造成影響,滿足使用要求。
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表 1 固定均衡器晶片型譜
表 2 超寬帶低噪聲放大器晶片型譜