一種寬帶功分器的小型化設計與實現(xiàn)

謝尹政 張利彬 張明 付振坤 李曠代 蔣睿

摘要：基于傳統(tǒng)單節(jié)威爾金森功分器結(jié)構，通過在輸出枝節(jié)添加階躍阻抗結(jié)構和額外的傳輸線進行工作帶寬拓展及輸出端口寬帶匹配，構建了一種小型化寬帶功分器設計結(jié)構。利用奇—偶模分析法與ABCD矩陣對該結(jié)構進行了分析計算。最終設計實現(xiàn)的寬帶功分器尺寸為9 mm×12 mm，在8～16 GHz工作頻段內(nèi)，插入損耗小于1.2 dB，端口駐波優(yōu)于1.5 dB，輸出隔離度大于14 dB。該功分器具有結(jié)構簡單、體積小、工藝實現(xiàn)難度低的優(yōu)點。

關鍵詞：威爾金森功分器；階躍阻抗；奇—偶模法；ABCD矩陣

中圖分類號：TN626文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2022）11-68-4

功率分配器/合成器作為一種通用型的微波器件，廣泛應用各類無線通信及雷達系統(tǒng)。超寬帶技術[1-2]具有寬帶頻譜資源、快速的系統(tǒng)傳輸速率、高精度定位能力和低截獲概率等特點，對提高無線通信系統(tǒng)的傳輸速率、信息容量和抗截獲概率等性能提供了實現(xiàn)手段，同時超寬帶技術的應用，使雷達系統(tǒng)的多徑分辨率、定位精度得到了提升。功分器作為微波系統(tǒng)中的重要無源器件，對其基本原理和設計技術的研究已十分廣泛。功分器從結(jié)構上可分為單層平面式功分器和多層立體式功分器；從工作帶寬上可分為窄帶功分器和寬帶功分器；從分功率分配上可分為等分功分器和不等分功分器。功分器在微波系統(tǒng)中各類功能模塊進行了大量的應用，可用于放大器電路的功率合成，可用于陣列天線的功率控制與分配，以及混頻電路的信號分配與合成等系統(tǒng)及功能電路。由于功分器作為多信道微波系統(tǒng)中不可或缺的器件，其工作帶寬也直接確定了微波系統(tǒng)的工作帶寬，隨著超寬帶技術的興起，超寬帶性能的功分器研究成為日益熱門的研究方向。

針對功分器超寬帶性能的研究，基于傳統(tǒng)單節(jié)威爾金森功分器的設計結(jié)構，通過在功分器輸出枝節(jié)增加開路短截線提高功分器的工作帶寬，并通過調(diào)節(jié)傳輸線的電長度對輸出端口進行寬帶匹配，以實現(xiàn)小型化超寬帶功分器的設計，比常見的多節(jié)形式的寬帶功分器[3]體積減小30%以上。

1.1寬帶功分器設計原理

功分器設計的結(jié)構形式有T型功分結(jié)構、電阻型功分結(jié)構、威爾金森功分結(jié)構及其他結(jié)構。T型功分結(jié)構形式簡單，理論上為無損耗的三端口網(wǎng)絡結(jié)構，無法做到3個端口同時完全匹配，不適用于現(xiàn)有功分網(wǎng)絡系統(tǒng)。而電阻型功分結(jié)構，由于其電阻器件會造成一定的功率熱量損耗，導致功分器插入損耗較大，且輸出端口隔離度較差，不符合現(xiàn)有功分網(wǎng)絡器件低損耗、小體積和集成化的設計要求。威爾金森功分器[4-6]作為目前較為常用的功分器設計形式，通過在輸出兩端口間引出隔離電阻，使威爾金森功分器變?yōu)橐粋€有損耗的三端口網(wǎng)絡器件，可實現(xiàn)3個端口的同時匹配，同時，在輸出端口間可實現(xiàn)良好的端口隔離性能。威爾金森功分器具有結(jié)構簡單、輸出端口一致性好和輸出端口隔離度較高等特點，是目前最為成熟的功分網(wǎng)絡設計結(jié)構。

但常規(guī)的單節(jié)威爾金森功分器工作相對帶寬約為20%，且在工作帶外其性能急劇下降，不易實現(xiàn)寬帶性能設計。為拓展威爾金森功分器的工作帶寬，目前常采用多節(jié)功分器進行設計，利用多節(jié)結(jié)構，構建多個不連續(xù)傳輸節(jié)點，能夠有效地減少或消除由各阻抗不連續(xù)點處產(chǎn)生的反射波，從而使各段傳輸線相互匹配，最終達到展寬頻帶的目的。文獻[7]采用4節(jié)威爾金森功分器，實現(xiàn)了4～18 GHz的超寬帶功分器設計，文獻[8]采用多級威爾金森功分器的設計思路實現(xiàn)了超寬帶功分器。利用增加威爾金森功分器級數(shù)的設計方式，雖然提高了功分器的工作帶寬，但多級結(jié)構帶來了設計復雜性與工藝的高精度要求。

針對功分器超寬帶性能設計要求，利用寬帶傳輸線匹配原理，構建基于單節(jié)威爾金森功分器結(jié)構形式的寬帶功分器結(jié)構，寬帶功分器的設計原理框圖如圖1所示。寬帶功分器由一個功分結(jié)（Y型結(jié)），通過構建兩部分長度分別為/4和2的傳輸線，在1/4波長主路傳輸線后，額外增加一段同主路傳輸線特征阻抗相同的傳輸線（特性阻抗為2），電長度為2。同時，引入一段特性阻抗為1，電長度為1的階梯阻抗開路短截線進行功分器工作帶寬拓展，通過調(diào)節(jié)階梯阻抗開路短截線的電長度和特性阻抗，拓展了功分器工作帶寬。同時利用一個隔離電阻實現(xiàn)了輸出兩端口的端口隔離。

當功率從端口1進入時，通過Y型分支結(jié)構將信號分為2路，分別進入2路/4的主傳輸線進行傳輸，經(jīng)引入電長度為

1的階梯阻抗開路短截線，對信號進行寬帶工作頻率下的阻抗匹配后，再通過電長度為2的微帶線進行輸出端口匹配，最后等幅同相從端口2和3輸出，實現(xiàn)功率分配的功能。中間的隔離電阻，直接聯(lián)通端口2和3，使得從端口2經(jīng)由功分結(jié)到達端口3的信號比直接從端口2經(jīng)電阻R到達端口3的信號多走半波長的距離，2類信號在端口3處形成180°的相位差，從而被抵消掉。同理，從端口3進入的信號到達端口2時也會被抵消，從而實現(xiàn)兩輸出端口間的信號隔離性設計要求。

1.2寬帶功分器傳輸特性分析

對于對稱的線性二端口網(wǎng)絡來說，其激勵也可分解為具備反對稱性的奇模（odd）激勵和具備對稱性的偶模（even）激勵，在通過2種模式下的特征參數(shù)線性疊加而獲得線性二端口網(wǎng)路特性。對于奇模激勵的對稱二端口網(wǎng)絡，兩端口處添加的激勵等幅反向，對稱面電特性與理想電壁等效，整個網(wǎng)絡可化簡成兩個在對稱面短路的相同單端口網(wǎng)絡；相反，偶模激勵時，2端口處的激勵等幅同向，對稱面可視為理想磁壁，整個網(wǎng)絡可化簡成2個在對稱面開路的相同單端口網(wǎng)絡。

如圖1所示，超寬帶功分器采用對稱結(jié)構進行設計，參考傳統(tǒng)單節(jié)威爾金森功分器設計方法，可以利用奇—偶模法[9-10]進行分析，將功分器簡化為奇模形式和偶模形式的兩端口電路進行分析，功分器奇模等效電路如圖2所示。將功分器的傳輸特性用級聯(lián)的兩端口網(wǎng)絡的ABCD矩陣參數(shù)進行表示，繼而推導出功分器的S參數(shù)，最終得到功分器的傳輸特性。

采用奇—偶模法分析方法，依據(jù)功分器工作帶寬要求，采用相對介電常數(shù)r=2.94，厚度=0.239 mm的CLTE-XT基板進行功分器設計。利用電磁仿真軟件HFSS對寬帶功分器進行仿真設計，設計完成的功分器如圖4所示，階躍阻抗采用扇形結(jié)構進行匹配，比矩形結(jié)構體積更小，寬帶匹配效果更佳。優(yōu)化后的各結(jié)構參數(shù)如表1所示，整個功分器尺寸為9 mm×12 mm。

優(yōu)化后的功分器仿真結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯觯?～16 GHz工作頻段內(nèi)，輸出端口一致性較好，插入損耗小于0.2 dB。各端口匹配良好，駐波小于1.32。輸出端口間隔離度大于14 dB。

根據(jù)表1的寬帶功分器仿真優(yōu)化后結(jié)構參數(shù)進行電路板加工和測試結(jié)構件設計，實物如圖6所示。隔離電阻采用0402封裝電阻，阻值100Ω，測試盒尺寸按照HFSS仿真模型進行加工，功分器輸出輸入端口通過SMA連接器進行饋電與傳輸。測試盒與功分器電路板背面地層采用焊接形式進行連接。SMA連接器的焊針下側(cè)需略高于電路板焊接焊盤上表面，距離控制在0.2 mm以內(nèi)，避免在寬帶工作頻段內(nèi)，連接器與基板焊接處間隙過大帶來連接處的不連續(xù)性，影響功分器測試結(jié)果。

最終完成的寬帶功分器利用矢量網(wǎng)絡分析儀（Agilent N5244A）對其工作性能進行測試，在對功分器器件進行輸出端口2的插入損耗和駐波測試時，矢量網(wǎng)絡分析儀兩端口分別接入端口1和端口2，對未使用的端口3通過接入50Ω負載進行匹配，同理，在測試輸出端口3時，將端口2進行50Ω負載匹配，最終得到的測試結(jié)果如圖7所示。該寬帶功分器在8～16 GHz工作頻段內(nèi)，插入損耗小于1.2 dB，帶內(nèi)起伏小于0.5 dB，各端口駐波優(yōu)于1.5，且輸出端口隔離度大于14 dB。

基于單節(jié)威爾金森功分器設計結(jié)構，通過在輸出枝節(jié)增加階梯阻抗開路短截線結(jié)構來拓展功分器的工作帶寬，并插入適宜電長度的主路微帶線進行輸出端口匹配，實現(xiàn)寬帶功分器的設計結(jié)構構建。通過奇—偶模分析法與ABCD矩陣對該功分器進行了分析計算，得到功分器傳輸特性分析，最終設計完成的寬帶功分器尺寸為9 mm×12 mm，在工作頻率8～16 GHz頻帶內(nèi)，插入損耗小于1.2 dB，各端口駐波優(yōu)于1.5，輸出端口間隔離度大于14 dB，滿足工程使用要求。該寬帶功分器結(jié)構簡單、尺寸小、工藝實現(xiàn)難度低，可以廣泛使用于各類寬帶通信及雷達系統(tǒng)。網(wǎng)絡提供有力支撐。

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