一種新型的毫米波段高隔離度平面功分器

戚瓏贏，尚文明，劉 洪，張英浩

（中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京211153）

0 引 言

在毫米波電路中，平面功分器作為一種重要的器件在T／R組件、混頻電路、功率分配電路等方面發揮著重要的作用。常見的平面功分器如Wilkinson功分器，因其設計簡便且具有良好的幅度相位特性在毫米波集成電路中被廣泛地應用，其最常使用的結構如圖1所示［1］。電磁信號由端口1輸入，經過阻抗變換段由端口2和端口3輸出，兩輸出端口中間是隔離電阻。輸入端口和兩個輸出端口阻抗均為Z0，隔離電阻的阻抗一般取2Z［2］。0

當該型功分器工作在低頻段時（低于Ka頻段），可以在端口2和端口3之間加入隔離電阻以實現兩輸出端口的良好隔離［2］；在頻率較高時，如W波段，由于功分器結構尺寸較小，隔離電阻無法安裝，隔離度較差。采用波導魔T、耦合環等結構雖然可以實現兩端口的高隔離度，但是由于其結構的原因，一些情況下在混合電路中難以集成；采用分支線定向耦合器，由于其輸出存在90°的相差，在一些情況下也無法使用，且W波段分支線定向耦合器的仿真效果并不理想。目前3 mm波段分支線定向耦合器尚沒有報道。

圖1 Wilkinson功分器示意圖

本文通過改進Wilkinson功分器設計，同時結合微帶魔T相關的設計經驗［3］，使用缺陷地結構，設計出一種可工作于W波段的平面功分器。該功分器具有駐波好、隔離度高、方便在電路中集成等優點。

1 電路設計

如圖2（a）所示，該結構由兩部分組成。第1部分為改進型Wilkinson功分器（圖中微帶線部分），位于Rogers5880介質基板的正面。第2部分為環形吸收槽線（圖中槽線部分），位于介質基板的背面。端口1為輸入端口，端口2和3為輸出端口。

圖2 高隔離度平面功分器模型（a）和奇模激勵時槽線電磁場（b）

運用奇偶模理論對上述結構進行分析。當偶模激勵時，端口2和3的信號等幅同向，槽線中心面相當于一磁壁，槽線不被激勵，信號在端口一合成輸出。當奇模激勵時，端口2和端口3的信號等幅反相，槽線中心面相當于一電壁，槽線被激勵。由于槽線的末端是環狀結構，信號由槽線進入環形槽后被等分為兩路大小相等、相位相差180°的信號。這兩路信號在環形槽線中傳輸到達AA′處時，等幅反向的兩路信號相遇抵消，如圖2（b）所示。設計的重點和難點在于環狀槽線的設計和微帶?槽線的過渡段設計。在設計中，可以分為4個步驟：（1）設計改進型 Wilkinson功分器；（2）設計環狀吸收槽線；（3）根據功分器的微帶線尺寸和槽線的尺寸，設計微帶—槽線過渡段；（4）聯合仿真。

用微帶線和槽線的特性阻抗計算公式以及λg／4阻抗變換公式計算得出了微帶線和槽線的尺寸。

微帶線特性阻抗：

槽線特性阻抗［4］：

阻抗變換公式：

其中，εr為介質基板相對介電常數，w為微帶線寬，h為介質基板厚度。

本模型設計使用Rogers5880介質基板。該基板相對介電常數εr＝2.2，厚度h＝0.127 mm，損耗角正切tanσ≤0.001。在理論計算的基礎上，通過采用HFSS仿真軟件進行仿真和優化得到了最佳尺寸。

HFSS建模和仿真計算結果如圖3和圖4所示。

圖3 HFSS建模圖形

仿真結果表明，該模型3個端口的回波損耗均優于21 dB，隔離度大于22 dB，插損小于4.4 dB，且兩輸出端口幅度平衡度小于0.04 dB，相位平衡度小于0.6°。對于常規Wilkinson功分器，輸出端口間隔離度約為8 dB（HFSS仿真數據）。因此，改進后的功分器，其端口間隔離度提升14 dB以上。

圖4 功分器S參數（a）和幅相一致性（b）

為測試該結構的性能，在圖3所示模型基礎上加入波導?微帶探針過渡（W波段S參數測試儀使用矩形波導接口），并在HFSS中進一步做優化設計。根據仿真的尺寸數據，設計功分器印制板圖見圖5，微帶線和槽線分別位于Rogers5880介質基片正面和背面，基板厚度0.127 mm。完成裝配后的功分器實物圖見圖6。功分器的金屬腔體使用鋁材質，表面做導電氧化處理。

圖5 功分器基板加工圖

圖6 功分器實物照片

2 測試結果

測試原理框圖見圖7。測試系統由矢網（型號AV3672B，頻段10 MHz～26.5 GHz）、控制機（AV3640A）和S參數測試模塊（型號AV3645）組成。測試時使用校準件對測試系統和測試所需的波導轉接器進行校準，被測件的空閑端口接匹配負載。

圖7 測試原理框圖

測試結果如圖8所示。測試結果表明，該結構在92～96 GHz頻帶內，S21約6.5 dB，去除探針過渡插損2 dB［5］和 3 dB 耦合度，功分器的插損約為 1.5 dB，回波損耗大于20 dB，隔離度大于15 dB。

圖8 測試數據

與HFSS仿真計算結果相比，插損偏大約0.8 dB，隔離度偏低約6 dB。這與加工和裝配精度有關，比如Rogers基板是手工粘貼到鋁制腔體，探針過渡段的微帶尺寸僅為0.4?0.56 mm2，粘貼時微小的誤差會導致插損和隔離度的惡化。此外，電磁信號的空間串擾也是導致隔離度惡化的原因。

3 結束語

本文設計了一種新型平面功分器，通過引入槽線過渡和環形槽線，顯著提升端口間隔離度。該結構解決了毫米波段尤其是W波段因功分器結構尺寸小、無法加入隔離電阻而導致端口間隔離度差的問題。仿真結果表明，相比常規Wilkinson功分器，該模型端口間隔離度提高14 dB以上，同時該結構具有良好端口回波損耗和輸出端口間幅度相位平衡度，樣件的測試指標符合仿真結果。該結構設計簡便，尺寸小，易于在平面電路中集成，工程實現性好。該結構可推廣用于毫米波段，在頻率稍低的Ka和V波段加工和裝配的誤差會更低，其模型的性能指標會更好。