T型槽加載扼流器設(shè)計(jì)

宋展鵬，曹衛(wèi)平，葛連富，唐 琦

(桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004)

0 引言

由于同軸線具有良好的屏蔽性及傳輸特性，常用作射頻系統(tǒng)的傳輸線。當(dāng)用同軸線直接向平衡天線饋電時(shí)，其外表面會(huì)產(chǎn)生不平衡電流，導(dǎo)致平衡天線兩臂上電流分布不對(duì)稱[1]。

目前常用的巴倫主要有扼流套、對(duì)稱式平衡器、U型環(huán)和漸變式平衡器等[2]。4種平衡巴倫中，前3種對(duì)頻率較為敏感，需要λ/4的長(zhǎng)度或附加相移線段來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此工作頻帶較窄、尺寸大；漸變式平衡器具有寬帶特性，但平衡器需要λ/2的漸變結(jié)構(gòu)，不利于小型化設(shè)計(jì)。除了上述幾種常見(jiàn)的方法外，研究人員還采用在金屬板兩側(cè)開(kāi)I型槽及L型槽并加載集總電容[1]構(gòu)成的扼流結(jié)構(gòu)對(duì)天線進(jìn)行扼流，或使用鐵氧體磁環(huán)來(lái)進(jìn)行扼流[2]，又或者在同軸線上級(jí)聯(lián)多個(gè)同軸扼流套[3]來(lái)對(duì)天線進(jìn)行扼流等3種結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行扼流。但采用鐵氧體扼流需要較大的接觸面積，其物理尺寸較大，增加了天線的重量與尺寸[4-6]。后2種結(jié)構(gòu)為了達(dá)到較好的扼流效果，也需要較大的物理尺寸[7]。

本文設(shè)計(jì)了一種T型槽加載集總電容的寬帶小型化扼流器。T型槽相對(duì)于L型槽結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)更大的感性，通過(guò)加載電容后，扼流器可以在更小的尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn)寬帶高阻抗特性。

1 扼流器理論分析

扼流器原理類似于一個(gè)帶阻濾波器[8]。窄帶帶阻濾波器用并聯(lián)LC電路等效，電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 并聯(lián)諧振電路

當(dāng)其工作于諧振頻率時(shí)：

jωC=jωL/(R2+ωL2)。

(1)

此時(shí)阻抗為：

Z(ω)=L/RC。

(2)

因此，當(dāng)電路處于諧振狀態(tài)時(shí)，呈現(xiàn)出高阻抗特性，阻斷電流通過(guò)[9]。由于LC并聯(lián)諧振電路Q值較高，因此帶寬窄，為了展寬帶寬，可采用多個(gè)諧振電路級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)[10-11]。

2 扼流器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到介質(zhì)板加工的可行性、簡(jiǎn)易程度以及介質(zhì)板對(duì)各種天氣環(huán)境的適應(yīng)能力，扼流器選用介電常數(shù)為4.4，厚度為1.6 mm的FR4介質(zhì)板進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)[12]。

一組T型槽電流分析如圖2所示。扼流器仿真端口設(shè)置阻抗為50 Ω，為使端口匹配，扼流器2個(gè)端口采用漸變錐形結(jié)構(gòu)，并且背面地板開(kāi)2個(gè)對(duì)稱U型縫隙來(lái)進(jìn)行匹配。由于電磁波的趨膚效應(yīng)[12]，高頻電流沿著金屬層邊緣流動(dòng)，圖2(a)中用箭頭表示電流流動(dòng)方向。可以看到在T型槽左半邊，金屬層邊緣與縫隙邊緣構(gòu)成一段終端短路的傳輸線，其等效為一個(gè)電感。當(dāng)在槽邊緣加載電容后，可從電流流經(jīng)路徑分析，其與短路線構(gòu)成并聯(lián)諧振環(huán)。而T型槽右半邊構(gòu)成的短路線對(duì)左半邊短路線進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)扼流器的阻抗具有調(diào)節(jié)作用，可展寬扼流器帶寬。由傳輸線理論可知，小于λ/4的終端開(kāi)路傳輸線可等效為容性。圖2(b)中在T型槽開(kāi)路端加載電容后，可等效為延長(zhǎng)開(kāi)路端路徑，實(shí)現(xiàn)了小型化設(shè)計(jì)。

文獻(xiàn)[3]中，天線采用在地板上開(kāi)軸對(duì)稱L型縫隙來(lái)進(jìn)行扼流，有效遏制了地板寄生電流，提高了天線性能。但為了得到較好的扼流效果，L型槽長(zhǎng)度需要達(dá)到λ/4，并且?guī)捿^窄，尺寸較大，不利于小型化寬帶化設(shè)計(jì)。本文采用不等長(zhǎng)T型縫隙并加載電容來(lái)實(shí)現(xiàn)小型寬帶扼流器設(shè)計(jì)，最長(zhǎng)T型槽長(zhǎng)度為0.03λ。圖3為扼流器整體結(jié)構(gòu)示意圖。通過(guò)仿真優(yōu)化，扼流器結(jié)構(gòu)參數(shù)值如下：L1=200 mm，L2=25 mm，L3=22 mm，L4=10 mm，L5=50 mm，W=1.64 mm，W1=22 mm，W2=20 mm，W3=2 mm，W4=14 mm，W5=1 mm。加載電容值如表1所示。扼流器等效電路如圖4所示。

圖2 一組T型槽電流分析

圖3 扼流器整體結(jié)構(gòu)示意

圖4 T型槽加載電感等效電路

表1 加載電容值

電容C1C2C3電容值/pF252016

3 仿真及測(cè)試結(jié)果分析

根據(jù)上述的設(shè)計(jì)原理，用CST電磁仿真軟件建模，并進(jìn)行仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)。圖5給出了扼流器的S參數(shù)仿真曲線。由圖5可以看出，扼流器在220～400 MHz(相對(duì)帶寬為58%)的頻帶范圍內(nèi)S21小于-12 dB，即具有12 dB的衰減效果，S11基本接近0 dB，表明由1端口饋入的信號(hào)基本被截?cái)唷?/p>

圖5 仿真S參數(shù)

使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)扼流器進(jìn)行雙端口S參數(shù)測(cè)試。圖6為扼流器實(shí)測(cè)S參數(shù)值，可以看到實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真曲線趨勢(shì)基本一致，且均小于-12 dB，但與仿真值還有一定的差異。主要原因如下：① 仿真使用的理想材料、環(huán)境與實(shí)際測(cè)試不可避免存在差異；② 扼流器模型仿真和實(shí)物測(cè)試時(shí)饋電位置的不同，導(dǎo)致仿真模型的阻抗與實(shí)際天線的端口阻抗有較大差別，從而造成天線實(shí)物測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果存在一定差異；③ 實(shí)際應(yīng)用中使用SMA接頭饋電，在頻率相對(duì)高時(shí)也會(huì)帶來(lái)相應(yīng)的損耗等影響[13]。

圖6 實(shí)測(cè)S參數(shù)

由仿真與測(cè)試結(jié)果看到，扼流器工作頻帶由多個(gè)諧振點(diǎn)組成，與上節(jié)分析的多組并聯(lián)諧振環(huán)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)吻合[14-15]。圖7為220 MHz扼流器從1端口饋入信號(hào)時(shí)的表面電流分布仿真結(jié)果。由圖7可以看出，當(dāng)信號(hào)從1端口輸入時(shí)，電流在左側(cè)第二對(duì)槽達(dá)到最大，之后往端口2傳輸開(kāi)始衰減。

圖7 220 MHz表面電流

為了體現(xiàn)扼流器的扼流效果，在CST中將扼流器正面中心軸線緊貼在左側(cè)振子上，如圖8(a)所示，并設(shè)置頻點(diǎn)f1(220 MHz)監(jiān)視器來(lái)觀察天線兩臂上電流分布。圖8(b)為電流分布仿真圖，可以看到天線加載扼流器后，左側(cè)電流明顯受到了抑制，因此表明扼流器具有良好的電流抑制作用[16-18]。扼流器實(shí)物正反面如圖9所示。

圖8 電流仿真

圖9 扼流器實(shí)物正反面

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)VHF/UHF頻段扼流器在實(shí)際應(yīng)用中存在的體積問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一款結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，改進(jìn)型的寬帶扼流器。扼流器由軸向?qū)ΨQ的T型槽及槽末端加載集總電容構(gòu)成，在帶內(nèi)具有12 dB的衰減特性。相對(duì)于傳統(tǒng)扼流巴倫來(lái)看，該扼流器能在橫縱向尺寸相對(duì)較小的情況下，實(shí)現(xiàn)了在寬頻帶內(nèi)較好的衰減特性，并且仿真與測(cè)試結(jié)果基本吻合，具有一定的工程實(shí)用性。