一種通信用寬頻帶Wilkinson 功分器的優(yōu)化設(shè)計(jì)*

俞海波

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十四研究所，南京 210039)

1 引言

功率分配器是將單路輸入信號(hào)功率分成若干路輸出的一種微波元件，屬于微波多端口網(wǎng)絡(luò)。功分器可分為二進(jìn)制和累進(jìn)制等，功率可以是等分的，也可以是不等分的。二進(jìn)制功分器在實(shí)際中應(yīng)用比較多，而Wilkinson 功分器就是一種常見(jiàn)的二進(jìn)制功分器。單節(jié)變換的Wilkinson 功分器工作頻帶較窄，在中心頻率時(shí)性能較好，在頻帶邊緣往往輸入駐波比較差。為了增加工作帶寬，在微帶電路中常應(yīng)用阻抗變換實(shí)現(xiàn)帶寬的展寬。阻抗變換主要有漸變線、四分之一波長(zhǎng)階梯阻抗變換器、短節(jié)變阻器等幾種形式。為了拓展功分器的頻帶寬度，本文采用四分之一波長(zhǎng)階梯阻抗變換器?？紤]到各個(gè)阻抗變換段的長(zhǎng)度和隔離電阻的安裝位置，本文設(shè)計(jì)的Wilkinson 功分器采用“蛇形”布局，以減小功分器總的尺寸。在變換段的末端，微帶線寬度較大，相鄰兩節(jié)變換段距離過(guò)近，會(huì)存在微帶線之間互耦效應(yīng)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)充分考慮并加以利用。

2 多節(jié)阻抗變換器的寬頻帶特性分析［1-4］

設(shè)多節(jié)阻抗變換器有n節(jié)，參考面有T0，T1，T2，…，Tn，共(n+1）個(gè)，相應(yīng)地有(n+1）個(gè)反射波。這些反射波返回到T0面時(shí)，彼此以一定的相位(取決于行程差）疊加起來(lái)，見(jiàn)圖1。

由于反射波很多，每個(gè)反射波的振幅都很小，相位各異，所以疊加起來(lái)的結(jié)果總是會(huì)有一些波彼此抵消或部分抵消。因此，總的反射波就可以在較寬的頻帶內(nèi)保持較小的值。這就是說(shuō)，大量而分散的較小的不連續(xù)與少量而集中的較大的不連續(xù)相比，前者可以在更寬的頻帶內(nèi)獲得更好的匹配。

引入歸一化參量:

這里cos2iθ的系數(shù)為

其大小取決于參數(shù)R，P1，P2，…，Pn共(n+1）個(gè)參數(shù)的取值。

阻抗變換器輸入端全匹配的條件是輸入端駐波系數(shù)等于1，因此n節(jié)阻抗變換器的匹配條件為

這是cos2θ的n 次方程，在系數(shù)滿足一定條件下(可以通過(guò)調(diào)整參數(shù)R，P1，P2，…，Pn來(lái)實(shí)現(xiàn)），有n個(gè)零點(diǎn)。這就是說(shuō)，通過(guò)正確選擇參量R，P1，P2，…，Pn，總可以使n節(jié)變換器在n個(gè)頻率點(diǎn)上得到完全匹配。所以一般地說(shuō)，節(jié)數(shù)越多，頻響曲線上的零點(diǎn)就越多，匹配的頻帶就越寬。

3 微帶線互耦效應(yīng)的特性阻抗［2，5］

微帶線傳輸?shù)氖菧?zhǔn)TEM 模，因此必須在奇模和偶模兩種狀態(tài)下分析耦合微帶線，分別求出其奇、偶模電容以及奇、偶模的相速，從而求出奇、偶模特性阻抗。

在準(zhǔn)靜態(tài)條件下，利用保角變換法求出耦合微帶線參數(shù)。假設(shè)導(dǎo)體帶厚度t=0，奇模電容與偶模電容的等效介電常數(shù)可表示為

其中，Co(1）和Ce(1）為填充介質(zhì)全部是空氣時(shí)單根導(dǎo)體帶對(duì)地板的奇模電容和偶模電容，Co(εr）和Ce(εr）為填充了相對(duì)介電常數(shù)εr介質(zhì)時(shí)單根導(dǎo)體帶對(duì)地板的奇模電容和偶模電容。另外，奇模相速vpo和偶模相速vpe表示為

所以，奇模特性阻抗Zco和偶模特性阻抗Zce分別為

式中，Zco(1）和Zce(1）分別為完全是空氣填充時(shí)耦合微帶線的奇模和偶模特性阻抗。利用保角變換可求得Zco(1）和Zce(1）為

4 仿真設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)一分二微帶等分功分器，工作頻帶0.5～3.5 GHz，選用相對(duì)介電常數(shù)為2.55的微波復(fù)合介質(zhì)基板，厚度H=1.0 mm。由于工作帶寬較大，根據(jù)上述多節(jié)阻抗變換器的寬頻帶特性分析，采取七級(jí)阻抗變換設(shè)計(jì)。由微帶線互耦效應(yīng)的特性阻抗，求得各節(jié)阻抗變換段的特性阻抗Z1=88.7 Ω，Z2=82.985 Ω，Z3=76.82 Ω，Z4=70.71 Ω，Z5=65.085 Ω，Z6=60.255 Ω，Z7=56.37 Ω，進(jìn)而得到各節(jié)阻抗變換器的寬度W1=1.54 mm，W2=1.12 mm，W3=1.31 mm，W4=0.97 mm，W5=1.78 mm，W6=2.04 mm，W7=2.27 mm。

圖2 多節(jié)寬帶功分器模型

圖3 一分二等分功分器VSWR

圖4 一分二等分功分器的隔離度

圖5 一分二等分功分器輸出端口的幅度

圖6 一分二等分功分器輸出端口的相位

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一分二等分微帶功分器，由于采用多節(jié)阻抗變換，所以該功分器工作頻帶從0.5～3.5 GHz到。為了減小尺寸，將7節(jié)變換段以“蛇形”排列，還考慮微帶線互耦因素的影響，利用Ansoft HFSS 進(jìn)行優(yōu)化。在工作頻帶內(nèi)，設(shè)計(jì)的功分器駐波小于1.4，兩輸出端口的幅相一致性較好，兩輸出口間的隔離度達(dá)20 dB，其主要電訊指標(biāo)滿足大容量通信天線系統(tǒng)的要求。

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