一種小型化毫米波三等分功分器的設計

林元根，徐海洋(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

現代的毫米波系統中，對固態電路的輸出功率要求越來越高，提高輸出功率的基本技術就是功率合成，即通過組合若干個相干工作單元或者通過疊加多個分離電路功率的方法，獲取更大的輸出功率。目前,毫米波功率合成技術大致可以劃分為4類：芯片級合成、電路合成、空間合成以及多級合成的方法[1]。

功率分配器是功率合成電路的重要組成部分，它的作用是將輸入功率分成相等或不相等的幾路功率輸出的一種多端口微波網絡。在微波系統中, 需要將發射功率按一定的比例分配到各發射單元, 如相控陣雷達等, 因此功分器在微波系統中有著廣泛的應用。它的性能好壞直接影響到整個系統能量的分配、合成效率。

Wilkinson 功分器是一種在X 波段以下技術成熟且運用較為廣泛的功分器，在毫米波以及更高頻段，毫米波功分器的設計往往面臨如下挑戰：(1)電阻尺寸位置極為敏感；(2)功分器枝節的不連續性會導致性能嚴重惡化；(3)線寬太細導致無法加工等。本文通過巧妙過渡設計、選擇合適的電阻尺寸及對電阻的位置進行綜合優化等手段設計了一款性能優良的可加工的毫米波直接三等分功分的功分器。

1 原理及設計

設計功分器最常用的方法是采用樹狀結構，三等分功分器一般有3種設計方法：

第1種先把輸入信號分成2路, 然后每路又分成2路。這種結構只有一種二等分功分器, 設計和加工均較方便, 但分路數需滿足N=2M(M=1,2，…), 如要分成3路, 則必須先分成4路, 其中一路用匹配負載吸收。這種方法不但白白消耗了一路能量, 而且由于其它路負載與吸收支路匹配負載并不完全一樣, 而其平分度也不是很理想[2]。

第2種是可以先將輸入P0按1∶2不等分，然后再將初次分配后功率為2/3P0的一支再二等分， 結構如圖1所示。

圖1 三等分功分器結構示意圖

這樣既可以做到三等分功率, 又可以避免不必要的吸收。但在電路中, 實現滿意的功串分配并非容易，而且三等分功分器其中一個支路線寬過細導致加工困難；此外這種三等分功分器占用尺寸較大，無法實現小型化。

第3種采用下面介紹的對稱結構直接三等分功分器設計, 可以克服上述困難。因而它插損小, 各端口匹配, 各路間互相隔離度好, 不平分度小。其結構如圖2所示。

圖2 三等分功分器結構示意圖

采用π形等效電路方法建立對稱三功分器的電路拓撲如圖3所示[3-4]。1口為輸入口，5、6、7口為輸出口。Y01，Y02分別表示信號源及負載導納。Y10，Y20分別表示第1節和第2節傳輸線特性導納，G1，G2分別表示第1節和第2節隔離電導。

圖3 三等分功分器等效電路

當把均勻傳輸線等效為π型等效電路時，在中心頻率處的串聯導納：

Yi串=-jYi0

(1)

并聯導納：

Yi并=jYi0

(2)

對圖1的等效電路可列出其節點電流方程為：

Y01V1+jY10(V2+V3+V4)=0

(3)

jY10V1+G1(V2-V3)+jY20V7=0

(4)

jY10V1-G1(V2-2V3+V4)+jY20V6=0

(5)

jY10V1-G1(V3-V4)+jY20V5=0

(6)

jY20V2-G2(V6-V7)=I7

(7)

jY20V3-G2V5+(2G2+Y02)V6-G2V7=0

(8)

jY20V4-(G2+Y02)V5-G2V6=0

(9)

設從7口加入信號電流電壓，由5口和6口對7口完全隔離，則：

V5=V6=0

(10)

由7口對Y02完全匹配，解上述方程可得：

G1=4Y102/Y01

(11)

G2=Y02/4

(12)

Y01/Y02=3(Y10/Y20)2

(13)

式(13)給出1口對Y01完全匹配的條件。

從5口、6口輸入，由于電路的對稱性也可以得到各輸出口對Y02匹配及各路間完全隔離和1口對Y01完全匹配的相同的結果。

式(11)～(13)中, 傳輸線節特性導納Y10、Y20及隔離電導G1、G2可有4個未知數，因此需要一個附加條件，這可以用以下方法分析來確定。

在圖3中, 當1口加入信號時， 由于各路之間完全隔離，各支路對應節點上電壓相等，各電導上沒有電流，故分析1口匹配條件時，Y02經過兩節1/4波長又均勻傳輸導納變換器變換到口， 可要求Y10、Y20滿足最平坦型傳輸線導納變換器的特性。通過對比系數方法，可以確定：

Y10=Y02/B3/4

(14)

Y20=Y02/B1/4

(15)

式中：B=3Y02/Y01。

使得在中心頻串處實現1口上完全匹配，反射系數為零。

2 建模及仿真

根據上述設計，利用HFSS仿真軟件，首先通過理論值計算出輸入和輸出端口的阻抗值，然后計算出各隔離電阻的阻值。根據阻抗值計算出線寬，輸出端的枝節長度選擇1/4波長長度的整數倍，最后再用HFSS進行綜合優化。采用帶狀線結構，上下層基片的厚度均為0.254 mm，基片材料為Roger 6002，介電常數為2.94。

圖4 三等分功分器的仿真模型

功分器尺寸為18 mm×7mm，從設計可看出該功分器實現了小型化。輸入和輸出端口均為50 Ω，其線寬0.31 mm，端口可和微波器件或射頻連接器相連。為防止功分器的各輸出端口線寬過窄，從而導致無法工程加工，在功分前將輸入端口的線寬漸變為0.85 mm，這樣可確保枝節輸出端具有較寬的線寬，最終優化后的功分枝節的線寬為0.2 mm。為實現輸出端50 Ω的輸出，再對功分枝節后的線寬采用了連續漸變，使其0.2 mm過段變換到0.31 mm。最后再對兩臂之間的間隙進行選擇和優化，從而選擇合適的間隙，最終優化的間隙為0.6 mm。隔離電阻選擇微波薄膜電阻，型號為0603或0402的薄膜電阻到毫米波頻段阻抗就變了，而型號為0101不容易焊接，故選擇薄膜電阻型號為R0201B500J，R1為32.5 Ω，R2為100 Ω，兩臂間隙為0.6 mm。

從圖5的三等分功分器的表面電流分布圖可以看出,輸入端口電流被平分至輸出端口，由此可以初步判斷功分器性能的好壞。

圖5 三等分功分器的表面電流分布圖

從圖6可以看出，三等分功分器在32～37 GHz頻段輸入端P1的駐波為1.48，輸出端P2的駐波為1.55，輸出端P3的駐波為1.33，輸出端P2的駐波為1.34。

圖6 功分器4個端口的駐波

從圖7可以看出，三等分功分器在32～37 GHz頻段輸入端P1到輸出端P2的插入損耗為5.93 dB，輸入端P1到輸出端P3的插入損耗為5.81 dB，輸入端P1到輸出端P4的插入損耗為5.74 dB。

圖7 功分器的插入損耗

從圖8可以看出，三等分功分器在32～37 GHz頻段輸出端P2到輸出端P3的隔離度17.26 dB，輸出端P2到輸出端P4的隔離度17.1 dB，輸出端P3到輸出端P4的隔離度14.88 dB。

圖8 功分器的隔離度

3 結束語

毫米波集成電路技術實現功率合成，基本合成單元是三路電橋合成，關鍵技術是制作出低損耗合成電橋。本文描述的毫米波電橋，由于工作頻率很高，所以尺寸很小，對加工精度要求很高，但其相應功率合成網絡具有低損耗、低成本等優點，具有一定實用價值，可以進一步加工實物進行驗證。

[1] CHANG K,SUN C.Millimeter-wave power-combining techniques [J].IEEE MTT,2003,31(2):91-107.

[2] 趙晨星.奇等分微帶功分器的仿真設計[J].電訊技術，2008，48(7)：77-78.

[3] 鞏志仁.一種新型的倍頻程帶寬微帶.艦船電子對抗，1994，17(4)：33-34.

[4] 林元根，張勇.亞毫本波二倍頻器的設計[J].艦船電子對抗，2010，33(4)：102-105.