徐 洋 彭 龍 張 帥 廖文軍

(1.成都信息工程大學(xué) 成都 610225;2.成都天創(chuàng)微波有限責(zé)任公司 成都 610041)

0 引言

功分器在微波電路中有著廣泛的應(yīng)用，被應(yīng)用在功率放大器、相控陣天線［1］、混頻器和多路中繼通信機(jī)等微波設(shè)備中。它性能的好壞直接影響到整個(gè)系統(tǒng)能量的分配和合成效率。隨著寬帶天線、寬帶濾波器等器件的不斷發(fā)展，對(duì)寬帶功分器的需求也越來(lái)越大［2］。

功率分配器作為最基本的微波無(wú)源器件，它將一個(gè)輸入信號(hào)分配成多個(gè)較小的信號(hào)，相反它也可將多個(gè)信號(hào)進(jìn)行功率合成。當(dāng)輸出端口較多時(shí)，非2n個(gè)時(shí)，難以保證輸出個(gè)端口幅度和相位的一致性。幅度和相位的一致性對(duì)系統(tǒng)的影響較大［3］，例如在相控陣天線系統(tǒng)中。本文利用Ansoft designer、Serenade、AutoCAD、HFSS 等軟件對(duì)功分器進(jìn)行協(xié)同仿真，設(shè)計(jì)并制作出了工作頻帶在0.7 ～2.5GHz 的微帶一分五寬帶功分器?？蓮V泛應(yīng)用于通信、功率分配合成系統(tǒng)中。

1 功分器的理論分析

1．1 寬頻帶等分功分器

本文設(shè)計(jì)的是一個(gè)工作頻帶在0.7 ～2.5GHz，涉及到功分比為1∶1 的兩路功分器，帶寬約為4 個(gè)倍頻層，結(jié)合多節(jié)λ/4 阻抗變換器相級(jí)聯(lián)的形式，阻抗變換器采用4 節(jié)。

通常選擇的節(jié)數(shù)越多，功分器的工作頻帶越寬，同時(shí)帶來(lái)的問(wèn)題是傳輸線的損耗也會(huì)增加，尺寸也會(huì)越大，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中選擇合適的節(jié)數(shù)是關(guān)鍵。對(duì)于功分比為1∶1∶1 的3 路功分器分析方法也是如此。

1.2 寬頻帶不等分功分器

在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步進(jìn)行了一個(gè)不等分兩路功分器的設(shè)計(jì)，分配比為2∶3 計(jì)算出了兩路輸出信號(hào)的分配損耗理論值分別為3.97dB 和2.21dB。阻抗變換器同樣采用4 節(jié)。

解決了不等分的路數(shù)分配后，其它的隔離原理等計(jì)算方法同等功率分配器的完全相同。

2 功分器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法

功分器的設(shè)計(jì)指標(biāo):工作頻率為0.7 ～2.5GHz;電壓駐波比(VSWR)＜1.3;插入損耗＜1dB;隔離度＞20dB。

本文采用的功率分配示意圖如圖1所示，采用ARLON 880 作為介質(zhì)基板，其相對(duì)介電常數(shù)為2.2，厚度為0.508mm。

圖1 功分器功率分配示意圖

首先在Ansoft designer 搭建分配比為2:3 功分器電路模型，仿真得到其分配損耗和特性阻抗后在Serenade 軟件中建立功分器物理模型，最終電路版圖以CAD 格式導(dǎo)入到HFSS 中進(jìn)行三維電磁仿真。

3 仿真設(shè)計(jì)

由上述設(shè)計(jì)方法得到微帶一分五寬帶功分器仿真模型，如圖2所示。

圖2 功分器仿真模型

由上圖建立的仿真模型，仿真得到的結(jié)果如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 功分器隔離度仿真

圖4 功分器輸入輸出駐波比仿真

圖5 功分器傳輸損耗仿真

圖3 為功分器隔離度的仿真結(jié)果，端口2 和端口3 之間的隔離度在整個(gè)頻帶內(nèi)小于設(shè)計(jì)值20dB，應(yīng)該是二等分功分器隔離電阻阻值的選取不合適。圖4 為功分器輸入輸出駐波的仿真結(jié)果，在所設(shè)計(jì)的頻帶內(nèi)，功分器的輸入端口Port1 和輸出端口Port2 駐波VSWR＞1.3，可能是由于輸入端采取了不等分的設(shè)計(jì)方法造成功分器兩路輸出分配不均，也可能是由于不等分功分器隔離電阻阻值選取不當(dāng)造成。圖5 為功分器傳輸損耗的仿真結(jié)果，在0.7～2.5GHz 頻帶內(nèi)，插入損耗＜1dB，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。但是2 路等分輸出和3 路等分輸出間幅度平衡度太差，這是由于輸入端兩路分配插損不均造成的。為了滿足設(shè)計(jì)要求，優(yōu)化不等分功分器的線長(zhǎng)與線寬，選取合適的隔離電阻進(jìn)行優(yōu)化仿真，最終結(jié)果如圖6、圖7、圖8所示。

圖6 功分器輸入輸出駐波比優(yōu)化仿真

圖7 功分器傳輸損耗優(yōu)化仿真

圖8 功分器隔離度優(yōu)化仿真

4 實(shí)物制作與測(cè)試

通過(guò)焊接電阻實(shí)現(xiàn)各端口之間隔離，外殼腔體采用本導(dǎo)材料。最終實(shí)際加工制作出的頻段在0.7 ～2.5GHz寬帶功分器實(shí)物如圖9所示。

圖9 0.7-2.5GHz 寬帶功分器實(shí)物圖

在各端口連接SMA 端頭，功分器各性能指標(biāo)的測(cè)量采用AV36580A 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，測(cè)試結(jié)果如圖10、圖11、圖12所示。

圖10 樣品隔離度

圖11 樣品駐波比仿真

圖10、圖11、圖12 分別為樣品的隔離度、輸出駐波比、傳輸損耗測(cè)試結(jié)果，由上面三幅圖可知，在0.7 ～2.5GHz 頻段范圍內(nèi)隔離度＞20 dB，駐波比＜1.3，插入損耗＜1 dB，測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果很接近，說(shuō)明HFSS 三維仿真平臺(tái)對(duì)寬帶功分器設(shè)計(jì)有較好的指導(dǎo)作用。由圖12 可以看出功分比分別為1∶1和1∶1∶1 的輸出端幅度平衡略有差異，這主要是由于輸入端采取了分配比2∶3 的不等分設(shè)計(jì)，兩路分配損耗不均造成的。

圖12 樣品傳輸損耗仿真

5 結(jié)論

本文采用不等分和等分相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法并借助多節(jié)λ/4 阻抗變換器的方式設(shè)計(jì)了工作頻帶為0.7 ～2.5GHz 微帶寬帶一分五功分器，利用Ansoft Designer，Serenade 以及HFSS 軟件進(jìn)行協(xié)同仿真并制作了功分器實(shí)物，最終實(shí)物測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合，設(shè)計(jì)方法可行。加工制作出的實(shí)物在0.7 ～2.5GHz 工作頻帶范圍內(nèi)具有良好的性能指標(biāo)，其端口間隔離度＞20dB，駐波比(VSWR)＜1.3，插入損耗＜1dB。可廣泛應(yīng)用于通信、功率分配合成系統(tǒng)。

［1］杜明亮，孟明霞，劉昊，李連輝，李鵬程.一種微帶線高隔離度功分器的設(shè)計(jì)［J］.微波學(xué)報(bào)，2012，S2:345-347.

［2］趙海，劉穎力，張懷武，胡嵩松.寬帶Wilkinson功分器的設(shè)計(jì)［J］.電子元件與材料，2010，29(12):28-30.

［3］崔冬暖，王建輝.一分二十微帶Wilkinson 功分器的設(shè)計(jì)［J］.電子科技，2014，27(4):79-82.

［4］顧其諍，項(xiàng)家楨，袁孝康.微波集成電路設(shè)計(jì)［M］.北京:人民郵電出版社，1978.

［5］“清華大學(xué)“微帶電路”編寫組.微帶電路［M］.北京:人民郵電出版社，1976.

［6］向敬成，張明友.雷達(dá)系統(tǒng)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2001.

［7］劉紅，王小峰.微波網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用［M］.成都:電子科技大學(xué)，1997.

［8］高葆薪等.微帶電路計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1998.