一種微帶結構的新型不等分功分器設計

摘 要： 為了滿足天線陣波束賦形對各單元天線輸入功率不等分配的要求，基于Wilkinson功率分配器設計理論，詳細推導并給出了任意功分比情況下隔離電阻的計算公式，補充了目前參考資料中對于直接多路輸出功分器的設計指導。通過引入二分之一波長微帶傳輸線，提出了一種微帶結構的新型不等分功率分配器的設計方法。基于此方法，實現了一款應用于海事衛星通信天線陣饋電網絡的功分比為1∶2∶1的三路不等分功分器。仿真和實測結果表明，功分器在工作頻帶范圍內具有良好的性能指標。

關鍵詞： 不等分功分器； 隔離電阻； 天線陣波束賦形； 海事衛星通信

中圖分類號： TN626?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）04?0154?03

0 引 言

在無線通信系統中，功率分配器（簡稱功分器）有著非常廣泛的應用，例如它是相控陣雷達天線中的一個重要組件[1]。近年來，對功分器的研究不斷深入，尤其對等功分的研究較多[2?4]。隨著技術的發展，對不等分功分器的研究也凸顯意義，尤其對天線陣波束賦形，不等功分饋電可以有效抑制天線副瓣電平過大。目前，不等分功分器兩路輸出的設計居多[5]，而對于多路輸出的設計，參考文獻較少且大部分是基于兩路結構。文獻[6]介紹了一種樹狀拓撲結構的設計方法，利用Wilkinson功分器將輸入信號等分，然后將等分的信號分別再次等分，形成4路等幅同相的信號，最后將分屬不同組的相鄰兩路信號合并，實現了1∶2∶1的功率分配。這種設計原理簡單，但是電路結構尺寸較大，不夠緊湊。文獻[7]雖然實現了直接多路輸出，但考慮到物理結構的可實現性，只焊接了兩個貼片電阻，導致無法完全實現各支路間的兩兩隔離，存在其中的兩條支路隔離度差的問題。另外，對于直接任意比例多路輸出的功分器，目前的參考資料[5，8]沒有給出詳細的設計指導，比如無法找到隔離電阻的計算公式。本文以Wilkinson功分器理論為基礎，詳細推導并給出了任意比例功分器直接多路輸出時各支路之間隔離電阻的計算公式。通過引入二分之一波長微帶傳輸線，提出了一種結構緊湊、隔離性能較好的三路不等分功分器。通過大量的計算機仿真和加工實驗，實現了一款應用于海事衛星通信天線陣饋電網絡的新型不等分功率分配器。

1 功分器設計

當N路功率分配器滿足如下條件：輸入端口匹配無反射；各路輸出功率比已知，P1∶P2∶P3∶…∶PN=k1∶k2∶…∶kN；各路輸出電壓U1，U2，…，UN等幅同相時，文獻[8]給出了各路負載阻值和支路特性阻抗的設計公式如下：

式中ki為各路輸出功率之比。所以，當已知各路功率之比時，可按照式（13）求出各參數的值，從而實現所需功分器的設計。

2 仿真及實驗結果

為了驗證設計方法的可行性，根據上述分析，設計了一款用于海事衛星通信天線陣饋電網絡的三路不等分功分器。中心頻率為f0=1.6 GHz，工作頻帶1.5～1.7 GHz，輸入/輸出端口阻抗Z0=50 Ω，三輸出端口功分比為P1∶P2∶P3=1∶2∶1。由式（13）可得各設計參數為：R1=50 Ω，R2=25 Ω，R3=50 Ω，Z01=100 Ω，Z02=50 Ω， Z03=100 Ω，r1=50 Ω，r2=25 Ω，r3=50 Ω。設計中作了以下考慮：為了滿足天線陣各單元天線共線排列的需求，將功分器各輸出端口用微帶線引出，相鄰端口間距0.75λ。對于1，3支路，因為R1=R3=50 Ω，可直接用50 Ω微帶線做分支，但是對于2支路，需采用一節四分之一波長阻抗變換器（特性阻抗為35.4 Ω）將R2=25 Ω轉換成50 Ω，使輸出阻抗與負載阻抗相匹配。考慮到實際布局及制作工藝的限制，在隔離電路部分引入兩段特性阻抗為Z=100 Ω，長度為[λ2]的微帶線，如圖2所示。

由矩陣A可知，兩支路之間的隔離電路部分仍等效為一個串聯電阻，兩段[λ2]傳輸線的引入，不但沒有改變電路的性能，而且為電路結構的物理實現提供了便利。

最終對所設計的結構進行了加工制作，選用F4B系列微波介質材料板，相對介電常數為εr=2.65，損耗角正切tan δ=0.003，厚度h=2 mm。利用ADS和HFSS電磁仿真軟件進行大量的仿真優化，得到最佳的電路尺寸和最終的加工實物如圖3所示。圖4和圖5給出了所設計功分器的仿真和實測結果對比曲線。從圖中可以看出，實測結果曲線中心頻率整體較理論仿真值有所偏高，主要是由于加工誤差和測量誤差造成的。在1.5～1.7 GHz工作頻帶內，實測S11<-18 dB，輸入端匹配較好；各輸出端口的功分比在中心頻率處實測結果S21=-6.12 dB，S31=-3.34 dB，S41=-6.36 dB，與仿真值S21=S41=-6.08 dB，S31=-3.06 dB相差較小，誤差小于0.3 dB，在工作頻帶內輸出功率起伏小于0.18 dB；各輸出端口的隔離度S23和S24實測值小于-20 dB，實現了兩兩端口的良好隔離。總的來說，實測結果和仿真結果具有較好的一致性。

3 結 語

本文基于Wilkinson功分器設計理論，以3路功分器為例，詳細推導并給出了N路任意功分比情況下隔離電阻的計算公式，完善了對直接多路輸出功分器的設計指導公式。通過引入二分之一波長微帶傳輸線，將傳統功分器進行改進，提出了一種結構新穎，布局緊湊的微帶三路不等分功分器。測試結果與仿真結果具有較好的一致性，從而驗證了該設計公式的有效。該功分器在整個工作頻帶內，各端口匹配好，各輸出支路等分度好、隔離度高，適用于天線陣波束賦形饋電電路設計。

參考文獻

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