張文梁，丁春艷

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

功率分配器簡稱功分器，是微波電路中的重要部件，在相控陣天線和功率分配等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。目前的微波功率分配器多為級聯(lián)威爾金森(Wilkinson)形式的二功分器，其優(yōu)點在于設(shè)計方法較簡單、易于實現(xiàn)，輸出端口可以實現(xiàn)較高隔離;缺點在于隨著路數(shù)的增加，插入損耗也隨著增大。下面設(shè)計的多路微波功率分配器采用帶狀線的形式，這種形式的功率分配器結(jié)構(gòu)復(fù)雜一些，但是在插損和隔離度等指標(biāo)方面占有一定優(yōu)勢。

1 設(shè)計方案

設(shè)計一種頻率范圍為3～10 GHz的八功分器，通過7個Wilkinson形式二功分器實現(xiàn)。將設(shè)計好的二功分器進行級聯(lián)，就可以得到八功分器。

1.1 二功分器電路設(shè)計

Wilkinson形式的二功分器原理圖如圖1所示。八功分器設(shè)計框圖如圖2所示。

根據(jù)帶寬設(shè)計二功分器，得到需要的阻抗變換器的級數(shù)和各級阻抗變換器的阻抗值。

圖1 二功分器原理

圖2 八功分器設(shè)計

首先要把二功分器看成是一個50～25 Ω的阻抗變換器(輸出的2路都是并聯(lián)的，因此輸出端的并聯(lián)阻抗為25 Ω)，由3級1/4波長的阻抗變換器進行阻抗變換，變到輸出阻抗50 Ω。2個輸出端口之間如果不加隔離電阻，則輸出之間不能提供足夠的隔離度。根據(jù)文獻［1］給出的公式:

式中，N為合路器端口的數(shù)目。二功分器輸出端口之間的隔離度為6 dB，實際應(yīng)用所要求的隔離度大于6 dB，得到高隔離的方法是在2級阻抗變換器之間加隔離電阻。

查閱文獻［2］的相關(guān)部分能夠得到所需要的阻抗變換器的級數(shù)以及每級阻抗變換器的阻抗值。查表得知，所需要的級數(shù)為3級，阻抗變換器的阻抗值分別為:86.9 Ω、70.7 Ω 和 57.4 Ω，隔離電阻值分別為:107 Ω、210 Ω 和 400 Ω。查表得出的阻抗值只是理論值，由于各方面的影響，最后仿真確定的值會有微小的偏差。

試驗中選用了Rogers公司的RO5880電路板材，厚度為0.508 mm。用Ansoft Designer軟件對二功分器進行電路模型的繪制和仿真。將電路仿真完成的版圖再導(dǎo)入微波工作室(CST)軟件中進行電磁場仿真。考慮到電路和場的因素，電路仿真好的版圖在電磁場里可能會有所變化，此時要在電磁場中對電路進行優(yōu)化，使其達到最佳狀態(tài)。在CST中仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果可以看出:在3～10 GHz頻率范圍內(nèi)回波損耗、隔離度優(yōu)于18 dB，插入損耗小于3.2 dB，能夠滿足工程中大多數(shù)情況下的需求。

1.2 八功分器電路設(shè)計

二功分器是八功分器的基本組成單元，在電路中只需要按照圖2的方式將上面7個仿真過的二功分器進行級聯(lián)，就可以得到所需要的八功分器，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4中的直線是插入損耗S21，波紋線為1端口的回波損耗。在3～10 GHz頻帶內(nèi)，八功分器插入損耗小于10 dB，回波損耗優(yōu)于15 dB，隔離度大于17 dB。

圖4 八功分器仿真結(jié)果

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

下面研究在工程中帶狀線形式功率分配器的實現(xiàn)辦法。在工程中，受制于技術(shù)和工藝水平，帶狀線一般采用上下2層介質(zhì)相壓的形式。將2層完全一樣的介質(zhì)層相互疊加并將其壓緊，在2層介質(zhì)的中間設(shè)計電路，這就是帶狀線的模型。

帶狀線的結(jié)構(gòu)形式造成了電路的實現(xiàn)困難，尤其是印制線上需要安放微波器件的情況。帶狀線形式的功率分配器中，涉及到的微波元器件只有貼片電阻。在一張電路板上設(shè)計好印制線電路并將電阻焊接好，然后做一張大小形狀相同的電路板，腐蝕掉覆銅后將其放在有電路的印制板上面，并將其與電阻相對應(yīng)的位置挖掉一個小孔使其能夠容納電阻。利用外部結(jié)構(gòu)將上下2層壓緊，這樣就構(gòu)成了帶狀線的電路。

1.4 電磁兼容設(shè)計

由于3～10 GHz的頻率跨度比較大，而一塊介質(zhì)自身會存在諧振，如果諧振的頻率落在了八功分器帶內(nèi)(3～10 GHz)，就會影響八功分器的指標(biāo)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計的同時要考慮電磁兼容的問題，使結(jié)構(gòu)不影響電路的性能。通過CST軟件進行計算可知，體積為20 mm×10 mm×1.57 mm的RO5880介質(zhì)最低的諧振頻率大于11 GHz，在設(shè)計時印制板的隔腔面積不應(yīng)大于20 mm×10 mm。

2 需要解決的問題

2.1 SMA型連接器與帶狀線的連接問題

仿真中采用的是波端口，工程中多采用SMA型的連接器。由于帶狀線是在2層介質(zhì)中間的印制線，因此SMA型連接器怎樣和帶狀線連接是設(shè)計中必須解決的問題。

針對帶狀線的形式選取了一種型號為SMAKFD33的連接器，這種SMA型連接器焊接的芯子為一個薄片，厚度為0.2 mm。安裝時將薄片部分插入2層介質(zhì)中間的印制線上，這樣不會惡化帶狀線的性能。

2.2 結(jié)構(gòu)形式的實現(xiàn)問題

2.2.1 如何保證帶狀線物理特性

設(shè)計采用的是帶狀線形式的功率分配器。保證帶狀線的物理特性是保證設(shè)計成功的基本條件。保證帶狀線物理特性最重要的就是保證2層介質(zhì)的無縫相接。通過反復(fù)試驗，腐蝕掉印制板與盒體接觸的部分的覆銅對壓緊2層介質(zhì)具有明顯作用，并且能夠使接地更加良好。

2.2.2 如何對印制板進行隔腔

在2層印制板上沒有印制線經(jīng)過的地方放置過孔，2個過孔表面的覆銅要連接在一起，每塊由過孔圈起來的面積不大于20 mm×10 mm。這樣相當(dāng)于將印制板分成了許多獨立的小單元，每個單元周圍都被地隔開，構(gòu)成一個腔體。安裝時在盒體正面使用20顆螺釘將上下2層壓緊，既起到了隔腔的作用，又不破壞帶狀線的結(jié)構(gòu)形式。

3 電路性能測試與結(jié)果分析

按照仿真結(jié)果和電路實現(xiàn)的模式，實際制作了一個樣件，其結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 八功分器結(jié)構(gòu)

采用圖5的形式對2層介質(zhì)板進行定位和壓緊，印制線和隔離電阻在2層介質(zhì)板的中間。

采用Agilent 8722型網(wǎng)絡(luò)分析儀對功率分配器進行了測試，測試結(jié)果如下:

① 回波損耗:優(yōu)于15 dB(4～9 GHz)，其他通帶優(yōu)于12 dB;

②插入損耗:小于11 dB;

③ 端口間隔離度:優(yōu)于15 dB。

與仿真結(jié)果對比，插入損耗變差了1 dB，回波損耗在頻率兩端(3～4 GHz，9～10 GHz)變差了2 dB，隔離度變差2 dB。實測結(jié)果與仿真結(jié)果存在著一些差異。分析原因主要有3點:

①仿真中采用的是大面積的波端口，而在樣件中采用的是SMA接頭，接頭本身還存在著損耗和阻抗不匹配性，導(dǎo)致了指標(biāo)與仿真結(jié)果的不同;

②樣件中對上層介質(zhì)采用挖洞的方法來容納貼片電阻，這多少會影響一些帶狀線的整體特性，造成了指標(biāo)的惡化;

③帶狀線和SMA的同軸線轉(zhuǎn)換的地方會存在信號反射，造成了實際指標(biāo)比仿真結(jié)果稍差。

4 結(jié)束語

設(shè)計了用帶狀線實現(xiàn)的3～10 GHz寬帶八功分器電路，并進行了仿真和樣件制作，測試表明該電路具有損耗小、帶寬寬和隔離度高等優(yōu)點。雖然設(shè)計的是3～10 GHz的八功分器，實際上，該設(shè)計方法可廣泛應(yīng)用于寬帶微波多路功分器的設(shè)計。

［1］波 扎.微波工程基礎(chǔ)(第3版)［M］.張肇儀，譯.北京:電子工業(yè)出版社，2006.

［2］甘 本，吳萬春.現(xiàn)代微波濾波器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計［M］.北京:科學(xué)出版社，1974.

［3］謝擁軍，王 鵬.Ansoft HFSS基礎(chǔ)及應(yīng)用［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2007.

［4］黃玉蘭.電磁場與微波技術(shù)［M］.北京:人民郵電出版社，2007.

［5］張 敏.CST微波工作室用戶全書［M］.成都:電子科技大學(xué)出版社，2004.

［6］GREBENNIKOV A.射頻與微波功率放大器設(shè)計［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006.

［7］郝新慧，紀(jì)學(xué)軍.微帶線E類功率放大器的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.無線電通信技術(shù)，2007，33(3):39-41.

［8］苗利軍，孫寶平，燕云平.通信對抗與通信一體化便攜設(shè)備研究［J］.無線電通信技術(shù)，2010，36(1):16-18.