寬帶功率分配器的設(shè)計(jì)

摘要：基于威爾金森功率分配器理論，本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于寬頻帶系統(tǒng)的微帶功率分配器，其實(shí)現(xiàn)形式簡(jiǎn)單，易于工程上實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化，適用需要工作頻段較寬的系統(tǒng)中。

關(guān)鍵詞：寬帶;微帶線;功率分配器

0 引言

在射頻電路中，經(jīng)常有將某一個(gè)輸入功率的射頻信號(hào)按一定功率比例分配到多個(gè)支路電路中的使用需求。例如在多路中繼通信設(shè)備中常常需將本振信號(hào)功率分配到接收和激勵(lì)的混頻電路中進(jìn)行混頻處理;在雷達(dá)系統(tǒng)中需將激勵(lì)射頻信號(hào)放大至一定幅度后分配到發(fā)射模塊作為其輸入激勵(lì)信號(hào)。常用的射頻功分器主要采用腔體、帶狀線和微帶線等方式實(shí)現(xiàn)，因微帶線具有小型化、輕量化、生產(chǎn)成本低和可靠性等優(yōu)點(diǎn)，固本文所設(shè)計(jì)的功分器將采用微帶線的形式。

1理論分析

1.1微帶線理論[1]

微帶線由介質(zhì)基片以及兩邊的導(dǎo)體帶和接地板所構(gòu)成，隨著微波低損耗介質(zhì)材料和微波半導(dǎo)體器件的快速發(fā)展，形成了微波集成電路，也促進(jìn)了微帶線的蓬勃發(fā)展。微帶線一般用薄膜工藝制造，介質(zhì)基片選用介電常數(shù)高、微波損耗低的介質(zhì)材料，導(dǎo)體帶具有導(dǎo)電率高、穩(wěn)定性好、且與基片的粘附強(qiáng)等特點(diǎn)。微帶線的幾何結(jié)構(gòu)及電磁場(chǎng)分布如圖1所示，圖中一條寬度為W的導(dǎo)體帶放置在厚度為h的介質(zhì)基片上，介質(zhì)基片與接地板保持良好接觸。

（a）幾何結(jié)構(gòu)

（b）電磁場(chǎng)分布

根據(jù)圖1微帶線的電磁場(chǎng)分布可知，微帶線傳輸特性為準(zhǔn)TEM波（即橫電磁波），對(duì)于TEM波，根據(jù)長(zhǎng)線方程，傳輸線的特性阻抗

式中，L0 為傳輸線的分布電感，C0為傳輸線的分布電容。

當(dāng)傳輸線全部處于空氣或者真空中時(shí)，相速vφ與光速C相等，當(dāng)傳輸線全部處于相對(duì)介電常數(shù)為εr的介質(zhì)中時(shí)，則。

因此，微帶線的特性阻抗

式中，Z0為傳輸線的特性阻抗，Z00為微帶線的特性阻抗，εr為介質(zhì)基片的有效介電常數(shù)。

在計(jì)算微帶線的特性阻抗時(shí)，一般先求同尺寸的空氣微帶線的特性阻抗，再根據(jù)公式（1）和介質(zhì)基片的有效介電常數(shù)εe來(lái)求得。

本文中

εe=1+q（εr-1）（5）

q為填充系數(shù)，表示介質(zhì)填充程度，本文設(shè)計(jì)選用的為介質(zhì)全部填充，因此q=1，εe=εr，在已知微帶板材介電常數(shù)與厚度的情況下，根據(jù)公式（2）和公式（3）可以計(jì)算出微帶板材傳輸線特性阻抗的微帶線寬度。

1.2 單節(jié)威爾金森功率分配器理論

威爾金森功率功率分配器和其他微帶電路元件一樣，功分器也有一定的頻率響應(yīng)特性，根據(jù)其工作帶寬來(lái)分可以分為單節(jié)和多節(jié)功分器。

單節(jié)威爾金森功率分配器結(jié)構(gòu)和分析計(jì)算都較為簡(jiǎn)單，一分二單節(jié)威爾金森功率分配器如圖2所示，其輸入和輸出微帶線特性阻抗都是50 Ω，輸入輸出口之間為分支線特性阻抗Z1，分支線長(zhǎng)為中心頻率波長(zhǎng)λg的1/4。對(duì)功分器的要求為：當(dāng)2、3端口接50 Ω匹配時(shí)，在輸入端1無(wú)反射;同樣如果在輸入端接50 Ω匹配時(shí)，輸出2、3端口無(wú)反射。為滿足輸入端無(wú)反射的條件，需在2、3輸出端口接匹配，經(jīng)λg/4反映到1端口的并聯(lián)導(dǎo)納為2Z0/Z21。若要滿足匹配條件，則2Z0/Z21=1/Z0，因?yàn)槭嵌确?，因此，Z1=Z2==70.7（Ω）?？缃覣、B兩點(diǎn)之間的隔離電阻R吸收2、3端口之間互相作用的能量，當(dāng)射頻信號(hào)從1端口輸入時(shí)，如果A、B兩點(diǎn)等電位，則R上沒有能量，不起作用;當(dāng)2端口有信號(hào)反射回來(lái)時(shí)就會(huì)達(dá)到3端口，從而影響功分器的隔離度指標(biāo)。R的取值為經(jīng)驗(yàn)公式R=Z21/Z0，因?yàn)槭堑确?，因?Z0=2Z0=100（Ω）。

以上分析的是單節(jié)一分二功分器的設(shè)計(jì)，因微帶線的頻率響應(yīng)特性，該類型功分器適用于工作帶寬為中心頻率10%以內(nèi)的窄帶功分器。

1.3 多節(jié)威爾金森功率分配器理論

本文所設(shè)計(jì)的功分器使用的頻率范圍為600 MHz～6000 MHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出單節(jié)功分器工作范圍。為滿足功分器的工作頻率范圍，和其他一些寬頻帶器件一樣，采用多節(jié)阻抗變換的方式，增加功分器的阻抗變換節(jié)數(shù)，增加λg/4線段和相應(yīng)的隔離電阻的數(shù)目。一個(gè)N節(jié)寬帶等分功分器的一般形式如圖3所示。

在N節(jié)二等分功分器中，各節(jié)的特性阻抗Z1，Z2，…，ZN數(shù)值可由偶模等效電路按λg/4階梯阻抗變換器合成法求得，對(duì)于隔離電阻R1，R1，…，RN，同樣可以采用階梯阻抗變換器的分析方法求得。本文功分器工作頻率范圍600 MHz～6000 MHz，相對(duì)帶寬=1.64，通過(guò)查表需要七節(jié)功分器才能滿足相對(duì)帶寬，七節(jié)功分器的特性阻抗及隔離電阻的歸一化值如下表1所示。

2設(shè)計(jì)與仿真

2.1印制板設(shè)計(jì)

本文使用的微帶板材的介電常數(shù)εr為3.5，介質(zhì)板厚度h為0.762 mm，功分器使用的匹配負(fù)載為50 Ω，帶入公式（3），計(jì)算得到50 Ω微帶線寬為1.67 mm。本文設(shè)計(jì)的七節(jié)二等分寬帶功分器的設(shè)計(jì)步驟為：

a）根據(jù)表1中七節(jié)阻抗變化特性阻抗Z的歸一化阻抗值，可得到對(duì)應(yīng)的微帶線寬度。特性阻抗：Z1：1.13*50，Z2：1.21*50，Z3：1.30*50，Z4：1.13*50，Z5：1.13*50，Z6：1.13*50，Z7：1.13*50。再將介電常數(shù)εr為3.5，介質(zhì)板厚度h為0.762 mm帶入公式（3），計(jì)算出功分器各變換節(jié)的對(duì)應(yīng)線寬。同時(shí)根據(jù)表1 中七節(jié)阻抗變化隔離電阻值的歸一化阻抗值，得到對(duì)應(yīng)的變換節(jié)隔離電阻值。R1：8.85*50，R2：12.32*50，R3：8.92*50，R4：6.40*50，R5：4.35*50，

R6：2.59*50，R7：4.97*50。將得到的數(shù)據(jù)按圖3所示，在ADS射頻仿真軟件中對(duì)功分器進(jìn)行建模，建模時(shí)需注意，寬帶功分器兩臂之間的距離應(yīng)根據(jù)寬帶功分器所使用隔離電阻的封裝尺寸大小來(lái)確定，兩臂之間的間距不宜過(guò)大，一般控制在3倍微帶線寬度以內(nèi)，這樣可以有效地降低跨接在功分器兩臂之間的隔離電阻所帶來(lái)的寄生效應(yīng)?？紤]到實(shí)際加工誤差，在1：2寬帶功分器輸入口加一段低阻抗的變換段，以增加微帶線變換節(jié)的線寬，后續(xù)作為調(diào)試預(yù)留手段，盡量減少加工誤差的影響。建模后的寬帶功分器如圖4所示。

b）通過(guò)ADS仿真功分器的S參數(shù)，在仿真過(guò)程中，可根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)微帶線參數(shù)和隔離電阻值進(jìn)行微調(diào)。寬帶功分器ADS仿真模型的S參數(shù)仿真數(shù)據(jù)如圖5所示。

2.2屏蔽盒設(shè)計(jì)

寬帶功分器的屏蔽盒主要起電磁屏蔽作用，同時(shí)也對(duì)寬帶功分器的印制板起機(jī)械保護(hù)和環(huán)境保護(hù)作用，常規(guī)的微帶電路盒體一般采用鋁合金作為盒體材料，本文直接借用已有5A05鋁合金做成的屏蔽盒。屏蔽盒除了需要牢固、屏蔽良好外，還需避免對(duì)功分器電路中電場(chǎng)的擾動(dòng)，最好做到蓋板離電路的距離在5～10 h以上（h為印制板基片厚度）。最靠邊緣的導(dǎo)體帶條距屏蔽盒側(cè)壁的距離應(yīng)在3 h以上，注意避免工作頻率接近屏蔽盒的諧振頻率，以防出現(xiàn)部分能量被吸收，造成衰減尖峰，從而影響功分器在該頻率的性能。如果產(chǎn)生了諧振，可采取金屬化過(guò)孔隔離柵來(lái)去除腔體諧振的影響，本文所設(shè)計(jì)的功分器外形尺寸為70 mm（長(zhǎng)）×50 mm（寬）×20 mm（不包含連接器）。

3調(diào)試與測(cè)試

本文所設(shè)計(jì)的寬帶功分器的頻率范圍最高已達(dá)6000 MHz，因條件限制，采用螺釘將微帶板安裝在腔體內(nèi)，但由于功分器的頻率高端已達(dá)6000 MHz，螺釘安裝方式不能使微帶板背面完全接地，影響了功分器的接地效果，帶來(lái)的結(jié)果是功分器在頻率高端時(shí)，因接地效果惡化而影響功分器的駐波系數(shù)。如條件允許，建議采用將整個(gè)印制板直接焊接在屏蔽盒內(nèi)的方法，以增強(qiáng)微帶印制板的接地效果。同時(shí)為了降低隔離電阻帶來(lái)的匹配性影響，隔離電阻盡量焊接在λg/4變阻器和輸出線的交界處。該寬帶功分器的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果如圖6所示。各端口電壓駐波比不大于1.5;輸出端口幅度一致性不大于±0.3 dB;輸出端口相位一致性不大于10°;輸出端口之間隔離度不小于16 dB。功分器主要技術(shù)指標(biāo)，基本滿足一般使用要求。

4結(jié)論

本文中設(shè)計(jì)的功分器具有體積小、重量輕、承受功率大、一致性好、性價(jià)比高等特點(diǎn)，本文中設(shè)計(jì)的功分器其覆蓋移動(dòng)通信頻率與WIFI應(yīng)用頻率的設(shè)計(jì)，便于實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和通用化，也易于批量生產(chǎn)，能夠很好地應(yīng)用于目前的通信系統(tǒng)中。

參考文獻(xiàn)：

[1]清華大學(xué)《微帶電路》編寫組. 書名.北京：清華大學(xué)出版社，1972

作者簡(jiǎn)介：王兵 ? 男，1984年04月，畢業(yè)于電子科技大學(xué)，本科，雷達(dá)設(shè)計(jì);周連成 男，1993年03月，畢業(yè)于南京理工大學(xué)，研究生，雷達(dá)總體設(shè)計(jì);周曉花 女，1982年12月，畢業(yè)于南京郵電大學(xué)，本科，雷達(dá)設(shè)計(jì);彭濤，男，1989年02月，畢業(yè)于東北大學(xué)，本科，雷達(dá)設(shè)計(jì)。