用于天線陣饋電的新型三等分功分器設(shè)計(jì)

傅世強(qiáng),周 陽(yáng),房少軍

(大連海事大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院,遼寧 大連 116026)

1 引 言

功率分配器(簡(jiǎn)稱功分器)是一種非常重要的微波無(wú)源器件,在天線陣饋電系統(tǒng)、功率放大器和雷達(dá)功率源中有著廣泛的應(yīng)用。近年來(lái),功分器的研究已經(jīng)越來(lái)越成熟,應(yīng)用也越來(lái)越廣泛[1-3]。然而一分三功分器的文獻(xiàn)不多,最常用的方法是基于Wilkinson功分器設(shè)計(jì)原理,采用樹(shù)狀結(jié)構(gòu),先把輸人信號(hào)分成兩路,然后選擇其中的一路再分成兩路,如文獻(xiàn)[4]所述。文獻(xiàn)[5]對(duì)樹(shù)狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn),提出了一種無(wú)需隔離電阻的寬帶三路等分功分器,但是仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果不盡人意。文獻(xiàn)[6]實(shí)現(xiàn)了一種直接一分三結(jié)構(gòu)的功分器,由于考慮到物理結(jié)構(gòu)的可實(shí)現(xiàn),只采用了兩個(gè)貼片電阻,導(dǎo)致無(wú)法實(shí)現(xiàn)各支路間的兩兩隔離,存在其中的兩條支路隔離度差的問(wèn)題。

本文基于Wilkinson功分器設(shè)計(jì)理論,通過(guò)引入二分之一波長(zhǎng)微帶傳輸線,對(duì)傳統(tǒng)Wilkinson功分電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn),提出了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、性能優(yōu)良的新型一分三功分器。根據(jù)海事衛(wèi)星通信天線陣饋電網(wǎng)絡(luò)的需求,設(shè)計(jì)了一款工作在海事衛(wèi)星通信中心頻率1.6 GHz的三等分功分器,并進(jìn)行了加工制作和實(shí)際測(cè)量。

2 功分器設(shè)計(jì)

基于Wilkinson功率分配器理論設(shè)計(jì)三等分功分器有兩種方法[1]:第一種是先實(shí)現(xiàn)一個(gè)功率比P1∶P2=1∶2 的兩路功分器,再將支路 P2分為 P3∶P4=1∶1 的兩路,這樣就實(shí)現(xiàn)了 P1∶P3∶P4=1∶1∶1三路等功分功率分配器,如圖1(a)所示;第二種是直接并聯(lián)式一分三結(jié)構(gòu),用電阻跨接實(shí)現(xiàn)兩兩隔離,如圖1(b)所示。

圖1 三等分功分器結(jié)構(gòu)原理示意圖Fig.1 Schematic of three-way equal power divider

對(duì)于第一種結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單,但由于電路結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性,如果存在失配,將導(dǎo)致各輸出端口的幅度和相位很難達(dá)到一致,與理論設(shè)計(jì)存在一定的偏差;對(duì)于第二種結(jié)構(gòu),由于需要兩兩支路跨接隔離電阻,如果采用微帶平面電路形式,將在工程實(shí)現(xiàn)上存在困難。

為了解決以上問(wèn)題,本文通過(guò)在隔離電路部分引入二分之一波長(zhǎng)微帶傳輸線,將圖1(b)的功分器結(jié)構(gòu)改進(jìn)為圖2所示。所提出的新型三等分功分器結(jié)構(gòu)的中心為輸入端,三條支路呈放射形對(duì)稱分布,兩兩支路采用二分之一波長(zhǎng)傳輸線串聯(lián)電阻,再串聯(lián)二分之一波長(zhǎng)傳輸線的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)形式。由傳輸線理論可知,中心頻率處隔離電路部分的[A]矩陣為

由[A]矩陣可知,兩兩支路之間的隔離電路部分仍等效為一個(gè)串聯(lián)電阻,兩段 λg/2傳輸線的引入,不但沒(méi)有改變電路的性能,而且為電路的物理實(shí)現(xiàn)提供了便利。以圖2的輸出端口②、③為例,兩個(gè)端口間的實(shí)際隔離電阻r為

圖2 新型三等分功分器結(jié)構(gòu)原理圖Fig.2 Schematic of new three-way equal power divider

由圖1(b)可知,任意兩個(gè)端口之間的實(shí)際隔離電阻值為2Z0。由式(2)可得

3 仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上節(jié)中所做的分析,設(shè)計(jì)了一款用于海事衛(wèi)星通信頻段的三等分功分器。中心頻率為 f0=1.6 GHz,輸入輸出端口阻抗 Z0=50 Ψ,隔離電阻 R=150 Ψ。選用F4B系列微波介質(zhì)材料板,相對(duì)介電常數(shù)為 εr=2.65,損耗角正切tanδ=0.003,厚度 h=2 mm。利用ADS和HFSS電磁仿真軟件進(jìn)行大量的仿真優(yōu)化,得到最佳的電路尺寸和最終的加工實(shí)物如圖3所示。

圖3 功分器加工實(shí)物圖Fig.3 Fabrication of the proposed power divider

使用Agilent N5230A四端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)加工的功分器進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量。圖4和圖5給出了端口S參數(shù)仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比。為了讓結(jié)果更清楚,本文僅給出了輸入端口和單個(gè)輸出端口的特性曲線。由于所提出的功分器具有結(jié)構(gòu)對(duì)稱性,因此根據(jù)給定的結(jié)果足以反映功分器各端口的整體性能。

圖4 S11和S21仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比圖Fig.4 Simulated and measured results of S11and S21

圖5 S22和S23仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比圖Fig.5 Simulated and measured results of S22and S23

由圖4和圖5可知,在海事衛(wèi)星通信工作頻帶1 525～1 660.5MHz內(nèi),實(shí)測(cè)結(jié)果表明輸入端口(S11<-25 dB)和輸出端口(S22<-30 dB)均匹配良好;功率輸出起伏很小,S21起伏0.1 dB,中心頻率實(shí)測(cè)S21=-4.98 dB,接近理論值-4.77 dB,整個(gè)工作帶內(nèi)與理論值相比誤差不超過(guò)0.3 dB;輸出端口間的隔離高(S23<-20 dB),帶內(nèi)高頻端最佳隔離超過(guò)30 dB。測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果具有較好的一致性,實(shí)測(cè)結(jié)果略微向高頻偏移,這可能由加工和測(cè)量誤差造成。所制作的三等分功分器已成功應(yīng)用于海事衛(wèi)星通信螺旋天線陣設(shè)計(jì)當(dāng)中。

4 結(jié) 論

本文介紹了一種新型微帶三等分功分器的設(shè)計(jì)方法,并給出了研制結(jié)果。基于Wilkinson功分器理論,通過(guò)引入二分之一波長(zhǎng)微帶傳輸線,提出了一種對(duì)稱電路結(jié)構(gòu)的三等分功分器,解決了傳統(tǒng)Wilkinson功分器直接多路輸出無(wú)法跨接隔離電阻的難題。該功分器在整個(gè)設(shè)計(jì)頻帶內(nèi),各端口匹配好,各輸出支路等分度好、隔離度高。測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果具有較好的一致性,從而驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方法的有效。該功分器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、性能優(yōu)良的特點(diǎn),已應(yīng)用于海事衛(wèi)星通信螺旋天線陣設(shè)計(jì)中。

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