一種C波段一分八微帶功分器的設(shè)計

馬 瑞

（北京全路通信信號研究設(shè)計院集團有限公司，北京 100070）

1 概述

功分器是一種在鐵路通信系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用的無源器件，其基本功能是將一路輸入信號能量分成兩路或多路輸出相等或不相等的能量。逆過程即為功率合成器。微帶形式的功分器具有體積小、易集成等優(yōu)點，但也受到微帶帶寬窄的限制。為增加微帶功分器的帶寬，可以通過多節(jié)阻抗變換實現(xiàn)，不同阻抗變換可以產(chǎn)生更多的諧振點，當(dāng)兩個諧振點距離很近且在微帶功分器中心頻率附近時，就達(dá)到了增加目標(biāo)頻率帶寬的目的。本文考慮想要覆蓋的帶寬范圍，設(shè)計了兩節(jié)傳輸線和兩個不同的隔離電阻的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)不僅能增加帶寬，還可以增加兩個相鄰端口之間的隔離度。

兩節(jié)一分二等分功分器結(jié)構(gòu)，如圖1所示。這個兩節(jié)一分二等分功分器主要由兩對λ/4線段以及兩個橋接隔離電阻組成。兩節(jié)傳輸線阻抗變換器在中心頻率為f時的特性阻抗分別為Z1和Z2，隔離電阻為R1和R2，寬帶功分器頻率范圍為f1～f2。

圖1 Wilkinson功分器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of Wilkinson power divider

根據(jù)微帶電路理論以及公式（1）、（2）、（3）可得：Z1=82 Ω、Z2=61 Ω、R1=98 Ω、R2=241 Ω。利用傳輸線計算工具，輸入介質(zhì)介電常數(shù)、厚度、損耗角正切值，中心頻點等參數(shù)，可以計算每段傳輸線的初始線寬，傳輸線長度約為λ/4，將這些值設(shè)為仿真初始值，通過實際建模仿真優(yōu)化可以確定兩節(jié)二等分功分器的尺寸。一分八的功分器可以由三個一分二的功分器級聯(lián)組成。

2 一分八功分器的設(shè)計與仿真

根據(jù)功分器各端口距離的遠(yuǎn)近，設(shè)計兩種功分器形式。功分器均采用介電常數(shù)εr=2.2，厚度為0.508 mm的Rogers5880的板材，饋電形式采用同軸饋電，設(shè)計仿真包含微帶到同軸的過渡。

功分器的參數(shù)主要包括端口反射系數(shù)、相鄰端口隔離度、輸出端口幅度和相位的一致性。端口反射系數(shù)為反射波與入射波的振幅比，端口反射系數(shù)影響輸出信號的大小，相鄰端口隔離度越大表示端口之間泄漏和干擾越小，輸出端口的幅度和相位是否一致反映功分器是否為等分的功分器，其中輸出端口的幅度還可以反映出功分器的損耗，由于本文設(shè)計的功分器為一分八等分功分器，理想狀態(tài)下八等分功分器的分配損耗為9 dB,實際的功分器輸出端口的幅度越接近9 dB,說明損耗越小。

設(shè)計的兩種功分器仿真結(jié)果如下。

1）功分器各端口距離較近時，結(jié)構(gòu)如圖2所示。功分器的仿真結(jié)果如圖3所示，從仿真結(jié)果可以看出，在5.15～5.85 GHz的頻率范圍內(nèi)，功分器反射系數(shù)小于-14.5 dB，各端口之間的隔離度大于25 dB，各端口的幅度偏差小于0.1 dB，8個端口的損耗均小于1.1 dB，相位基本一致。

圖2 一分八功分器結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of an eight-way microstrip divider

圖3 功分器各端口距離較近的仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results of the power divider

2）功分器各端口距離較遠(yuǎn)時，結(jié)構(gòu)如圖4所示。功分器的仿真結(jié)果如圖5所示，從仿真結(jié)果可以看出，功分器的反射系數(shù)小于-15 dB，各端口之間的隔離度大于20 dB，輸出端口的幅度差異小于0.15 dB，8個端口的損耗均小于1.24 dB，相位基本一致。

圖4 端口距離較遠(yuǎn)的一分八功分器結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of an eight-way microstrip divider with longer distance between ports

圖5 功分器各端口距離較遠(yuǎn)的仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of the power divider

3 結(jié)論

本文基于Wilkinson功分器設(shè)計原理，設(shè)計了一種C波段一分八的等分功分器，又根據(jù)實際應(yīng)用中各端口相距位置可能發(fā)生改變，設(shè)計一種變形的形式，從仿真結(jié)果可以看出設(shè)計基本滿足要求，可以應(yīng)用在EUHT項目中。根據(jù)不同的頻段，計算不同的微帶線寬、阻抗值，可以得到適合更多應(yīng)用場景的微帶功分器，廣泛應(yīng)用于軌道交通各個通信系統(tǒng)之中。