浅谈增益均衡器

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浅谈增益均衡器


对于射频、微波和毫米波系统而言，许多系统存在由于器件和系统损耗出现不平坦增益出现杂乱起伏的问题。对于高精度传感和测量测试应用而言，这种现象是非常不友好的。如在宽带雷达技术中，为了减少误差，需要在多个倍频程下以可控制的方式生成平坦的增益。而增益均衡器能对器件或系统的不平坦增益曲线进行修正，以提高其平坦性的有源或无源器件。今天我们就全面了解一下增益均衡器。

01
增益均衡器的定义

增益均衡器(gain equalizer)，简单理解，就是调节工作频带内增益平坦度的器件。当我们的设计的系统，增益平坦度达不到要求的时候，经常会用到这种电路。



一般放大器的增益会随着频率的升高而降低，而射频系统一般都是由多级放大器级联而成，所以一般系统的增益也是随着频率的升高而降低。


正斜率均衡器，500 MHz~2 GHz, 现场可更换的SMA



所以在链路中经常会用到增益均衡器，来平衡高低频段的增益。



02
增益均衡器的指标



增益均衡器的指标：


斜率线性度(slope linearity)



衡量均衡器与放大器增益的匹配程度


驻波(VSWR)



定义增益均衡器的匹配特性


插损(insertion loss)



一般会希望增益均衡器在增益最差的那个频率(一般是最大频率点)插损比较小

在工作频率范围内的最高频率处，插入损耗最小的增益均衡器为最优


补偿范围(slope compensation range)



指均衡器的最大插损与最小插损之间的差值



对于采用高调制阶数的复杂调制方案的现代雷达、测量测试及通信系统而言，还可能需要考虑相位噪声及相位平衡此两参数。其中，增益均衡器的主要性能参数为其插入损耗-频率特性曲线。



由于增益均衡器将所吸收的信号能量转化成了热量，因此对于许多增益均衡器而言，其功率处理能力为一项限制性的性能参数。此外，增益均衡器的封装和互连方式必须能够使其在承受持续高温的同时，不发生性能下降。



03
增益均衡器的分类

按照工作频率范围




➤ L波段增益均衡器

通常用于950MHz~2.15GHz频率范围，具备带通滤波器的增益特性



➤ 微波增益均衡器

通常用于2GHz - 20GHz 频率范围，通过传输线来实现，并具有低阶 BPF（带通滤波器）增益特性



按照电源要求




增益均衡器根据是否需要电源可分为有源增益均衡器和无源增益均衡器。例如，需要外部电源的增益均衡器就是有源均衡器，不需要的则称为无源增益均衡器。



有源增益均衡器产生正增益特性，因为它们使用放大器来放大它接收到的信号。



无源增益均衡器会产生插入损耗特性，因为它们不使用放大器。



按照增益斜率形状




➤ 正斜率增益均衡器：插入损耗随着频率增加

➤ 负斜率增益均衡器：插入损耗随着频率降低

➤ 正/负抛物线增益均衡器：随着频率的升高，增益斜率呈现抛物线形状



正斜率均衡器，26.5 GHz~40 GHz, 现场可更换2.92mm



04
增益均衡器的应用



增益级的应用需要使用增益均衡器对许多射频放大器的复合负增益斜率进行平坦化，因此增益均衡器可用于电子战（EW）、信号情报（SIGINT）及测量测试应用。



增益均衡器通常用作以自身增益斜率对器件或系统的增益斜率进行补偿的衰减器，当然有人可能在权衡之下忽略最小插入损耗。然而，为了实现所需的增益平坦度，许多系统不得不牺牲大量的增益，在此情况下，任何额外的损耗都可能降低系统的整体性能。因此，最小插入损耗可视为增益均衡所需引入损耗之外的额外损耗。以雷达为例，当为了实现所需增益平坦度而使用插入损耗过高的增益均衡器时，可导致其发射机输出功率或接收机灵敏度被削弱，从而缩短该其作用距离。


正向斜率均衡器，2GHz~6GHz, 现场可更换的SMA



正增益斜率，增益倾向于在较低的频率处出现衰减。这通常是由于低通滤波器，宽带滤波器和波导传输线的损耗所致，其中该频谱的低频部分损耗更大。为了纠正这一问题，正增益斜率均衡器通过在较低频率处施加增益（该增益随频率增加而减小）来帮助均衡增益斜率。为确保正增益斜率均衡器的良好性能，均衡器需要在所需带宽上表现出平坦的插入损耗，以及相对线性的均衡值。在关注带宽上也表现出对输入回波损耗的平坦响应也很重要。