多路寬帶帶狀線功率分配器設(shè)計(jì)分析

張文梁，丁春艷

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

功率分配器簡(jiǎn)稱(chēng)功分器，是微波電路中的重要部件，在相控陣天線和功率分配等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。目前的微波功率分配器多為級(jí)聯(lián)威爾金森(Wilkinson)形式的二功分器，其優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)計(jì)方法較簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，輸出端口可以實(shí)現(xiàn)較高隔離;缺點(diǎn)在于隨著路數(shù)的增加，插入損耗也隨著增大。下面設(shè)計(jì)的多路微波功率分配器采用帶狀線的形式，這種形式的功率分配器結(jié)構(gòu)復(fù)雜一些，但是在插損和隔離度等指標(biāo)方面占有一定優(yōu)勢(shì)。

1 設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)一種頻率范圍為3～10 GHz的八功分器，通過(guò)7個(gè)Wilkinson形式二功分器實(shí)現(xiàn)。將設(shè)計(jì)好的二功分器進(jìn)行級(jí)聯(lián)，就可以得到八功分器。

1.1 二功分器電路設(shè)計(jì)

Wilkinson形式的二功分器原理圖如圖1所示。八功分器設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

根據(jù)帶寬設(shè)計(jì)二功分器，得到需要的阻抗變換器的級(jí)數(shù)和各級(jí)阻抗變換器的阻抗值。

圖1 二功分器原理

圖2 八功分器設(shè)計(jì)

首先要把二功分器看成是一個(gè)50～25 Ω的阻抗變換器(輸出的2路都是并聯(lián)的，因此輸出端的并聯(lián)阻抗為25 Ω)，由3級(jí)1/4波長(zhǎng)的阻抗變換器進(jìn)行阻抗變換，變到輸出阻抗50 Ω。2個(gè)輸出端口之間如果不加隔離電阻，則輸出之間不能提供足夠的隔離度。根據(jù)文獻(xiàn)［1］給出的公式:

式中，N為合路器端口的數(shù)目。二功分器輸出端口之間的隔離度為6 dB，實(shí)際應(yīng)用所要求的隔離度大于6 dB，得到高隔離的方法是在2級(jí)阻抗變換器之間加隔離電阻。

查閱文獻(xiàn)［2］的相關(guān)部分能夠得到所需要的阻抗變換器的級(jí)數(shù)以及每級(jí)阻抗變換器的阻抗值。查表得知，所需要的級(jí)數(shù)為3級(jí)，阻抗變換器的阻抗值分別為:86.9 Ω、70.7 Ω 和 57.4 Ω，隔離電阻值分別為:107 Ω、210 Ω 和 400 Ω。查表得出的阻抗值只是理論值，由于各方面的影響，最后仿真確定的值會(huì)有微小的偏差。

試驗(yàn)中選用了Rogers公司的RO5880電路板材，厚度為0.508 mm。用Ansoft Designer軟件對(duì)二功分器進(jìn)行電路模型的繪制和仿真。將電路仿真完成的版圖再導(dǎo)入微波工作室(CST)軟件中進(jìn)行電磁場(chǎng)仿真。考慮到電路和場(chǎng)的因素，電路仿真好的版圖在電磁場(chǎng)里可能會(huì)有所變化，此時(shí)要在電磁場(chǎng)中對(duì)電路進(jìn)行優(yōu)化，使其達(dá)到最佳狀態(tài)。在CST中仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果可以看出:在3～10 GHz頻率范圍內(nèi)回波損耗、隔離度優(yōu)于18 dB，插入損耗小于3.2 dB，能夠滿足工程中大多數(shù)情況下的需求。

1.2 八功分器電路設(shè)計(jì)

二功分器是八功分器的基本組成單元，在電路中只需要按照?qǐng)D2的方式將上面7個(gè)仿真過(guò)的二功分器進(jìn)行級(jí)聯(lián)，就可以得到所需要的八功分器，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4中的直線是插入損耗S21，波紋線為1端口的回波損耗。在3～10 GHz頻帶內(nèi)，八功分器插入損耗小于10 dB，回波損耗優(yōu)于15 dB，隔離度大于17 dB。

圖4 八功分器仿真結(jié)果

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

下面研究在工程中帶狀線形式功率分配器的實(shí)現(xiàn)辦法。在工程中，受制于技術(shù)和工藝水平，帶狀線一般采用上下2層介質(zhì)相壓的形式。將2層完全一樣的介質(zhì)層相互疊加并將其壓緊，在2層介質(zhì)的中間設(shè)計(jì)電路，這就是帶狀線的模型。

帶狀線的結(jié)構(gòu)形式造成了電路的實(shí)現(xiàn)困難，尤其是印制線上需要安放微波器件的情況。帶狀線形式的功率分配器中，涉及到的微波元器件只有貼片電阻。在一張電路板上設(shè)計(jì)好印制線電路并將電阻焊接好，然后做一張大小形狀相同的電路板，腐蝕掉覆銅后將其放在有電路的印制板上面，并將其與電阻相對(duì)應(yīng)的位置挖掉一個(gè)小孔使其能夠容納電阻。利用外部結(jié)構(gòu)將上下2層壓緊，這樣就構(gòu)成了帶狀線的電路。

1.4 電磁兼容設(shè)計(jì)

由于3～10 GHz的頻率跨度比較大，而一塊介質(zhì)自身會(huì)存在諧振，如果諧振的頻率落在了八功分器帶內(nèi)(3～10 GHz)，就會(huì)影響八功分器的指標(biāo)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的同時(shí)要考慮電磁兼容的問(wèn)題，使結(jié)構(gòu)不影響電路的性能。通過(guò)CST軟件進(jìn)行計(jì)算可知，體積為20 mm×10 mm×1.57 mm的RO5880介質(zhì)最低的諧振頻率大于11 GHz，在設(shè)計(jì)時(shí)印制板的隔腔面積不應(yīng)大于20 mm×10 mm。

2 需要解決的問(wèn)題

2.1 SMA型連接器與帶狀線的連接問(wèn)題

仿真中采用的是波端口，工程中多采用SMA型的連接器。由于帶狀線是在2層介質(zhì)中間的印制線，因此SMA型連接器怎樣和帶狀線連接是設(shè)計(jì)中必須解決的問(wèn)題。

針對(duì)帶狀線的形式選取了一種型號(hào)為SMAKFD33的連接器，這種SMA型連接器焊接的芯子為一個(gè)薄片，厚度為0.2 mm。安裝時(shí)將薄片部分插入2層介質(zhì)中間的印制線上，這樣不會(huì)惡化帶狀線的性能。

2.2 結(jié)構(gòu)形式的實(shí)現(xiàn)問(wèn)題

2.2.1 如何保證帶狀線物理特性

設(shè)計(jì)采用的是帶狀線形式的功率分配器。保證帶狀線的物理特性是保證設(shè)計(jì)成功的基本條件。保證帶狀線物理特性最重要的就是保證2層介質(zhì)的無(wú)縫相接。通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，腐蝕掉印制板與盒體接觸的部分的覆銅對(duì)壓緊2層介質(zhì)具有明顯作用，并且能夠使接地更加良好。

2.2.2 如何對(duì)印制板進(jìn)行隔腔

在2層印制板上沒(méi)有印制線經(jīng)過(guò)的地方放置過(guò)孔，2個(gè)過(guò)孔表面的覆銅要連接在一起，每塊由過(guò)孔圈起來(lái)的面積不大于20 mm×10 mm。這樣相當(dāng)于將印制板分成了許多獨(dú)立的小單元，每個(gè)單元周?chē)急坏馗糸_(kāi)，構(gòu)成一個(gè)腔體。安裝時(shí)在盒體正面使用20顆螺釘將上下2層壓緊，既起到了隔腔的作用，又不破壞帶狀線的結(jié)構(gòu)形式。

3 電路性能測(cè)試與結(jié)果分析

按照仿真結(jié)果和電路實(shí)現(xiàn)的模式，實(shí)際制作了一個(gè)樣件，其結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 八功分器結(jié)構(gòu)

采用圖5的形式對(duì)2層介質(zhì)板進(jìn)行定位和壓緊，印制線和隔離電阻在2層介質(zhì)板的中間。

采用Agilent 8722型網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)功率分配器進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如下:

① 回波損耗:優(yōu)于15 dB(4～9 GHz)，其他通帶優(yōu)于12 dB;

②插入損耗:小于11 dB;

③ 端口間隔離度:優(yōu)于15 dB。

與仿真結(jié)果對(duì)比，插入損耗變差了1 dB，回波損耗在頻率兩端(3～4 GHz，9～10 GHz)變差了2 dB，隔離度變差2 dB。實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果存在著一些差異。分析原因主要有3點(diǎn):

①仿真中采用的是大面積的波端口，而在樣件中采用的是SMA接頭，接頭本身還存在著損耗和阻抗不匹配性，導(dǎo)致了指標(biāo)與仿真結(jié)果的不同;

②樣件中對(duì)上層介質(zhì)采用挖洞的方法來(lái)容納貼片電阻，這多少會(huì)影響一些帶狀線的整體特性，造成了指標(biāo)的惡化;

③帶狀線和SMA的同軸線轉(zhuǎn)換的地方會(huì)存在信號(hào)反射，造成了實(shí)際指標(biāo)比仿真結(jié)果稍差。

4 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)了用帶狀線實(shí)現(xiàn)的3～10 GHz寬帶八功分器電路，并進(jìn)行了仿真和樣件制作，測(cè)試表明該電路具有損耗小、帶寬寬和隔離度高等優(yōu)點(diǎn)。雖然設(shè)計(jì)的是3～10 GHz的八功分器，實(shí)際上，該設(shè)計(jì)方法可廣泛應(yīng)用于寬帶微波多路功分器的設(shè)計(jì)。

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