一種新型的毫米波段高隔離度平面功分器

戚瓏贏，尚文明，劉 洪，張英浩

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京211153）

0 引 言

在毫米波電路中，平面功分器作為一種重要的器件在T／R組件、混頻電路、功率分配電路等方面發(fā)揮著重要的作用。常見(jiàn)的平面功分器如Wilkinson功分器，因其設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便且具有良好的幅度相位特性在毫米波集成電路中被廣泛地應(yīng)用，其最常使用的結(jié)構(gòu)如圖1所示［1］。電磁信號(hào)由端口1輸入，經(jīng)過(guò)阻抗變換段由端口2和端口3輸出，兩輸出端口中間是隔離電阻。輸入端口和兩個(gè)輸出端口阻抗均為Z0，隔離電阻的阻抗一般取2Z［2］。0

當(dāng)該型功分器工作在低頻段時(shí)（低于Ka頻段），可以在端口2和端口3之間加入隔離電阻以實(shí)現(xiàn)兩輸出端口的良好隔離［2］；在頻率較高時(shí)，如W波段，由于功分器結(jié)構(gòu)尺寸較小，隔離電阻無(wú)法安裝，隔離度較差。采用波導(dǎo)魔T、耦合環(huán)等結(jié)構(gòu)雖然可以實(shí)現(xiàn)兩端口的高隔離度，但是由于其結(jié)構(gòu)的原因，一些情況下在混合電路中難以集成；采用分支線定向耦合器，由于其輸出存在90°的相差，在一些情況下也無(wú)法使用，且W波段分支線定向耦合器的仿真效果并不理想。目前3 mm波段分支線定向耦合器尚沒(méi)有報(bào)道。

圖1 Wilkinson功分器示意圖

本文通過(guò)改進(jìn)Wilkinson功分器設(shè)計(jì)，同時(shí)結(jié)合微帶魔T相關(guān)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)［3］，使用缺陷地結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出一種可工作于W波段的平面功分器。該功分器具有駐波好、隔離度高、方便在電路中集成等優(yōu)點(diǎn)。

1 電路設(shè)計(jì)

如圖2（a）所示，該結(jié)構(gòu)由兩部分組成。第1部分為改進(jìn)型Wilkinson功分器（圖中微帶線部分），位于Rogers5880介質(zhì)基板的正面。第2部分為環(huán)形吸收槽線（圖中槽線部分），位于介質(zhì)基板的背面。端口1為輸入端口，端口2和3為輸出端口。

圖2 高隔離度平面功分器模型（a）和奇模激勵(lì)時(shí)槽線電磁場(chǎng)（b）

運(yùn)用奇偶模理論對(duì)上述結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。當(dāng)偶模激勵(lì)時(shí)，端口2和3的信號(hào)等幅同向，槽線中心面相當(dāng)于一磁壁，槽線不被激勵(lì)，信號(hào)在端口一合成輸出。當(dāng)奇模激勵(lì)時(shí)，端口2和端口3的信號(hào)等幅反相，槽線中心面相當(dāng)于一電壁，槽線被激勵(lì)。由于槽線的末端是環(huán)狀結(jié)構(gòu)，信號(hào)由槽線進(jìn)入環(huán)形槽后被等分為兩路大小相等、相位相差180°的信號(hào)。這兩路信號(hào)在環(huán)形槽線中傳輸?shù)竭_(dá)AA′處時(shí)，等幅反向的兩路信號(hào)相遇抵消，如圖2（b）所示。設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)在于環(huán)狀槽線的設(shè)計(jì)和微帶?槽線的過(guò)渡段設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)中，可以分為4個(gè)步驟：（1）設(shè)計(jì)改進(jìn)型 Wilkinson功分器；（2）設(shè)計(jì)環(huán)狀吸收槽線；（3）根據(jù)功分器的微帶線尺寸和槽線的尺寸，設(shè)計(jì)微帶—槽線過(guò)渡段；（4）聯(lián)合仿真。

用微帶線和槽線的特性阻抗計(jì)算公式以及λg／4阻抗變換公式計(jì)算得出了微帶線和槽線的尺寸。

微帶線特性阻抗：

槽線特性阻抗［4］：

阻抗變換公式：

其中，εr為介質(zhì)基板相對(duì)介電常數(shù)，w為微帶線寬，h為介質(zhì)基板厚度。

本模型設(shè)計(jì)使用Rogers5880介質(zhì)基板。該基板相對(duì)介電常數(shù)εr＝2.2，厚度h＝0.127 mm，損耗角正切tanσ≤0.001。在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，通過(guò)采用HFSS仿真軟件進(jìn)行仿真和優(yōu)化得到了最佳尺寸。

HFSS建模和仿真計(jì)算結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 HFSS建模圖形

仿真結(jié)果表明，該模型3個(gè)端口的回波損耗均優(yōu)于21 dB，隔離度大于22 dB，插損小于4.4 dB，且兩輸出端口幅度平衡度小于0.04 dB，相位平衡度小于0.6°。對(duì)于常規(guī)Wilkinson功分器，輸出端口間隔離度約為8 dB（HFSS仿真數(shù)據(jù)）。因此，改進(jìn)后的功分器，其端口間隔離度提升14 dB以上。

圖4 功分器S參數(shù)（a）和幅相一致性（b）

為測(cè)試該結(jié)構(gòu)的性能，在圖3所示模型基礎(chǔ)上加入波導(dǎo)?微帶探針過(guò)渡（W波段S參數(shù)測(cè)試儀使用矩形波導(dǎo)接口），并在HFSS中進(jìn)一步做優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)仿真的尺寸數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)功分器印制板圖見(jiàn)圖5，微帶線和槽線分別位于Rogers5880介質(zhì)基片正面和背面，基板厚度0.127 mm。完成裝配后的功分器實(shí)物圖見(jiàn)圖6。功分器的金屬腔體使用鋁材質(zhì)，表面做導(dǎo)電氧化處理。

圖5 功分器基板加工圖

圖6 功分器實(shí)物照片

2 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試原理框圖見(jiàn)圖7。測(cè)試系統(tǒng)由矢網(wǎng)（型號(hào)AV3672B，頻段10 MHz～26.5 GHz）、控制機(jī)（AV3640A）和S參數(shù)測(cè)試模塊（型號(hào)AV3645）組成。測(cè)試時(shí)使用校準(zhǔn)件對(duì)測(cè)試系統(tǒng)和測(cè)試所需的波導(dǎo)轉(zhuǎn)接器進(jìn)行校準(zhǔn)，被測(cè)件的空閑端口接匹配負(fù)載。

圖7 測(cè)試原理框圖

測(cè)試結(jié)果如圖8所示。測(cè)試結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)在92～96 GHz頻帶內(nèi)，S21約6.5 dB，去除探針過(guò)渡插損2 dB［5］和 3 dB 耦合度，功分器的插損約為 1.5 dB，回波損耗大于20 dB，隔離度大于15 dB。

圖8 測(cè)試數(shù)據(jù)

與HFSS仿真計(jì)算結(jié)果相比，插損偏大約0.8 dB，隔離度偏低約6 dB。這與加工和裝配精度有關(guān)，比如Rogers基板是手工粘貼到鋁制腔體，探針過(guò)渡段的微帶尺寸僅為0.4?0.56 mm2，粘貼時(shí)微小的誤差會(huì)導(dǎo)致插損和隔離度的惡化。此外，電磁信號(hào)的空間串?dāng)_也是導(dǎo)致隔離度惡化的原因。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種新型平面功分器，通過(guò)引入槽線過(guò)渡和環(huán)形槽線，顯著提升端口間隔離度。該結(jié)構(gòu)解決了毫米波段尤其是W波段因功分器結(jié)構(gòu)尺寸小、無(wú)法加入隔離電阻而導(dǎo)致端口間隔離度差的問(wèn)題。仿真結(jié)果表明，相比常規(guī)Wilkinson功分器，該模型端口間隔離度提高14 dB以上，同時(shí)該結(jié)構(gòu)具有良好端口回波損耗和輸出端口間幅度相位平衡度，樣件的測(cè)試指標(biāo)符合仿真結(jié)果。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便，尺寸小，易于在平面電路中集成，工程實(shí)現(xiàn)性好。該結(jié)構(gòu)可推廣用于毫米波段，在頻率稍低的Ka和V波段加工和裝配的誤差會(huì)更低，其模型的性能指標(biāo)會(huì)更好。