寬帶功分網絡分析與設計

陸東一(蘇州衛(wèi)生職業(yè)技術學院　江蘇蘇州　215009)

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寬帶功分網絡分析與設計

陸東一
(蘇州衛(wèi)生職業(yè)技術學院江蘇蘇州215009)

摘要:采用奇偶模分析法推導得到兩級級聯(lián)功分網絡在給定工作帶寬時的最佳歸一化功分臂特征阻抗值和隔離電阻值，并比工作帶寬為80%的二級功分器為例進行了電路設計和實驗測試。實驗結果顯示，在3～7 GHz頻率范圍內，功分器輸入、輸出回波損耗分別大于18.8 dB和21.1 dB，隔離度大于30 dB。該方法對任意頻段的級聯(lián)功分網絡均可適用。關鍵詞:奇偶模;寬帶;功分器

0　引言

功分器是將輸入功率分為相同或不同的幾路功率輸出的微波網絡，在相控陣雷達、功率合成等微波系統(tǒng)中具有廣泛的應用。寬頻帶、小型化一直是微波射頻電路的研究熱點，隨之對功分器帶寬要求也越來越高，展寬帶寬的一個重要方法就是級聯(lián)功分網絡結構。本文采用奇模式分析法，計算得到給定工作帶寬時，兩級級聯(lián)功分器的功分臂阻抗值和隔離電阻值，并以工作帶寬等于80%為例，設計、制作、測試了3～7 GHz的寬帶級聯(lián)功分器。

1　功分器奇偶模分析

一個兩級級聯(lián)的功分器電路模型如圖1所示。

圖1　功分網絡原始模型

根據(jù)奇偶模分析原理，偶模時Vg2=Vg3，奇模時Vg2=-Vg3。由于電路上下對稱，偶模時中心線呈現(xiàn)開路(O.C.)特性，奇模時呈現(xiàn)短路(S.C.)特性，如圖2(a)、(b)所示。進一步簡化電路，得到簡化后的功分器奇偶分析電路模型如圖2(c)、(d)所示。

圖2　功分網絡奇偶模分析

根據(jù)傳輸線理論，功分器偶模反射系數(shù)和奇模反射系數(shù)分別為:

其中s=jtan θ，θ為傳輸線電長度，隨工作頻率變化，Z1、Z2、R1、R2為歸一化阻抗。這樣，可以得到完整功分器三個端口的反射系數(shù)為ρ1=ρe，ρ2=ρ3=，功分器隔離度為。兩級功分器的反射系數(shù)有個傳輸零點，令傳輸零點處反射系數(shù)為零，可以得到:

其中:為功分器工作帶寬，Z1通過切比雪夫級聯(lián)傳輸線阻抗變換表格［1］得到，Z2=2/Z1。由此可以得到給定工作帶寬w時兩級功分器歸一化傳輸線阻抗Z1和Z2、歸一化隔離電阻R1和R2的值，以及此時功分器的回波損耗S11和S22、隔離度I。詳細計算結果見表1所列。實際應用中根據(jù)工作帶寬w選擇功分器最佳回波損耗和隔離度。

表1　兩級功分器不同帶寬時歸一化阻抗與性能列表

2　電路設計與測試

根據(jù)前文分析結果，設計了工作帶寬w=80%的二級功分器電路。由表1可得二級功分臂歸一化阻抗為Z1=1.233 9，Z2=1.620 9，特征阻抗Z0=50Ω時，Z1=61.7Ω，Z2=81.0Ω。基片選擇Rogers RT/duroid 5880，相對介電常數(shù)2.2，厚度0.508mm。這樣可以得到功分臂的微帶線寬W1=1.12 mm，W2=0.69mm，特征阻抗為50Ω的微帶線寬W0=1.56 mm。設計功分器中心頻率5 GHz，則四分之一波長的功分臂長度為11.0 mm。為了減小轉彎處電容效應，直角轉彎處采用45°外斜切，切邊長度為微帶線寬的1.06倍，為最佳斜切率［2］。由表1歸一化隔離電阻R1=4.499 7，R2=2.044 1，特征阻抗為50Ω時R1=225Ω，R2=102Ω，實際電阻中選擇R1=220Ω，R2=100Ω。經過優(yōu)化微調后，最終電路模型如圖3 (a)所示，整體電路尺寸11mm×22mm。

兩級功分器S參數(shù)測試結果如圖3(b)所示。在3～7 GHz頻率范圍內，插入損耗小于3.4 dB，考慮3 dB分配損耗后電路損耗小于0.4 dB。輸入回波損耗大于18.8 dB，輸出回波損耗大于21.1 dB，隔離度大于20.0 dB。

圖3　二級寬帶功分電路(帶寬w=80%)

3　結論

本文采用奇偶模式分析方法對兩級級聯(lián)的功分網絡進行了研究。采用奇偶模激勵，將功分器簡化為為奇模等效電路和偶模等效電路，采用傳輸線理論計算奇模反射系數(shù)和偶模反射系數(shù)，進而得到功分器整體電路的回波損耗、隔離度。通過級聯(lián)傳輸線理論，得到功分臂的特征阻抗值，通過反射系數(shù)在傳輸零點處為零得到隔離電阻值。這樣，給定功分器工作帶寬，就可以計算出最佳回波損耗和隔離度時兩級級聯(lián)功分器的所有參數(shù)值。該方法對任意頻段功分器均可使用，并且可以推廣至兩級以上的超寬帶功分網絡［3］。

參考文獻:

［1］L.Young.［Tables for cascaded homogeneous quarterwave transformers］.IRE Trans.Microw.Theory Tech，Apr.1959:vol.MTT-7，no.3，pp.233-237.

［2］Moore J.［Ling H.，“Characterization of a 90°microstrip bend with arbitrary miter via the time-domain finite differencemethod］.IEEETrans.Microw.Theory Techn.，April 1990:Vol.38，Issue 4，pp.405-410.

［3］Y.Xu and R.Bosisio.［Design of multi-way power divider by using stepped-impedance transformers］.IEEE Trans.Microw.Theory Techn.，Sep.2012:vol.60，no.9，pp.2781-2790.

Analysis and Design of Broadband Power Divider

LU Dongyi
(Suzhou Health College，Suzhou 215009，China)

Abstract:In this paper，normalized arm impedance and isolation resistor of the two cascaded power divider network is calculated by using even and odd mode analysis while the operating bandwidth is given.Further，the operating bandwidth of 80%of the power divider is designed and measured.Experimental results show that in the frequency range 3～7 GHz，the input and output return loss are greater than 18.8 dB and 21.1 dB，isolation greater than 30 dB.The method for any frequency band power divider network can be applied.

Key words:even and odd modes;broadband;power divider

作者簡介:陸東一(1986-)，男，工程師、助理研究員，主要研究方向:電子信息

收稿日期:2015-09-16

中圖分類號:TN 402

文獻標志碼:A

文章編號:1672-2434(2016)01-0029-03