70MHz-800MHz低頻超寬帶微帶一分四功分器的設(shè)計(jì)

李 希，李佳霖，劉 陽(yáng)，王 琨

(陜西華達(dá)科技股份有限公司，陜西西安，710119)

1 引言

隨著科技水平的快速發(fā)展,無(wú)線微波通信系統(tǒng)的大量應(yīng)用,對(duì)射頻電路的要求也隨之越來(lái)越高,尤其是現(xiàn)在超寬帶微波通信系統(tǒng)全面發(fā)展,對(duì)超寬帶射頻器件的要求也越來(lái)越高[1]。某射頻聯(lián)調(diào)系統(tǒng)提出在70MHz～800MHz的工作頻率內(nèi),需設(shè)計(jì)一款滿足低駐波、高隔離的低頻超寬帶一分四功分器。

通?？刹捎秒娮栊凸Ψ制骱臀凸Ψ制?。T型結(jié)功分器,它具有無(wú)耗特性,但是端口間的隔離度差;電阻式功分器,它的網(wǎng)絡(luò)是有耗的,有一部分的功率損耗,同時(shí)各端口間的隔離度也較差;而Wilkinson微帶功分器各個(gè)功分端口相位特性可保持一致,同時(shí)可具有高的信號(hào)隔離度,各個(gè)端口能同時(shí)匹配的優(yōu)點(diǎn)。因此,選擇采用Wilkinson結(jié)構(gòu)的微帶功分器來(lái)進(jìn)行本文的設(shè)計(jì)研究。

2 功分器工作原理

微帶線的級(jí)數(shù)與工作帶寬是息息相關(guān)的,在確定微帶線的級(jí)數(shù)之前,我們需要引入一個(gè)λ/4阻抗變換器。當(dāng)傳輸線和負(fù)載相連接時(shí),如果二者阻抗不匹配,傳輸線上將會(huì)產(chǎn)生反射波,造成能量的損失,增加信號(hào)的衰減,為了使信號(hào)能在傳輸線最大化的輸出功率,需盡可能的減少傳輸線上的反射波,這就需要引入一段匹配線來(lái)消除傳輸線和負(fù)載所產(chǎn)生的反射波,因此,采用增加一段傳輸線的阻值等于特性阻抗的λ/4波長(zhǎng)的匹配線來(lái)達(dá)到其阻抗匹配,減少傳輸線的衰減,以消除二者之間的反射波。

對(duì)于窄頻帶的功分器,利用單節(jié)λ/4阻抗變換器就可滿足其帶寬的要求,本文需設(shè)計(jì)的是一款寬帶功分器,需要在寬帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)阻抗的匹配,單節(jié)λ/4阻抗變換器無(wú)法滿足要求,因此需要將λ/4阻抗變換器相互級(jí)聯(lián),組成一個(gè)多節(jié)階梯阻抗變換器,來(lái)滿足寬帶匹配。如圖2所示為一個(gè)多節(jié)1/4波長(zhǎng)階梯阻抗變換器的原理圖。

圖2 多節(jié)1/4波長(zhǎng)階梯阻抗變換器原理圖

其中,特性阻抗分別為Z1,Z2,……Zn,采用 Wilkinson功分器結(jié)構(gòu)相互級(jí)聯(lián),使用各節(jié)的傳輸線長(zhǎng)度為λ/4波長(zhǎng),每次往返經(jīng)過(guò)一個(gè)λ/4變換器就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)180°的相移,每節(jié)之間相互抵消,這樣使所有的傳輸線上反射的疊加得到的結(jié)果為零[1]。恰當(dāng)?shù)剡x擇階梯阻抗變換器的節(jié)數(shù),就能保證足夠的帶寬匹配。

由上述分析可知,增加階梯阻抗變換器的節(jié)數(shù)可拓展功分器的工作帶寬,但多節(jié)數(shù)的引入也會(huì)造成傳輸線插入損耗的增大,因此,應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)的需求,合理地選擇功分器的節(jié)數(shù)N。

為實(shí)現(xiàn)傳輸線間阻抗匹配和端口之間的信號(hào)隔離,需要在設(shè)計(jì)時(shí)引入隔離電阻R[2],利用隔離電阻可以使兩分路信號(hào)相位為180°,信號(hào)反向抵消,達(dá)到相鄰兩端口之間信號(hào)隔離的作用。減少各端口信號(hào)的影響,使得更多的信號(hào)能夠輸入到下級(jí)的輸入端。

級(jí)數(shù)N>3時(shí),可按下列公式首先計(jì)算歸一化隔離電導(dǎo)gi,然后再由ri = 1/gi計(jì)算歸一化隔離電阻ri。

(1)

當(dāng)θ=90°時(shí),偶模階梯阻抗轉(zhuǎn)換器的駐波比為ρe90°。對(duì)切比雪夫響應(yīng)來(lái)講,當(dāng)N是奇數(shù)時(shí), ρe90°=1;當(dāng)N是偶數(shù)時(shí),ρe90°=ρemax(即為頻帶內(nèi)最大駐波比)按照上述公式進(jìn)行計(jì)算,即可得出各節(jié)之間的隔離電阻阻值[3]。

3 70MHz～800MHz功分器仿真設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一款低頻超寬帶微帶一分四功分器,需滿足以下設(shè)計(jì)指標(biāo):工作頻率為70MHz～800MHz;各端口間電壓駐波比≤1.5,插入損耗優(yōu)于-9dB(含理論損耗-6dB),隔離度優(yōu)于15dB。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)指標(biāo),設(shè)計(jì)模型如圖3所示,通過(guò)計(jì)算初步給出該功分器的初始尺寸,選用電路板材的介電常數(shù)為3.55,板材厚度為0.508mm,通過(guò)理論計(jì)算得出,功分器的級(jí)數(shù)N至少為7級(jí),當(dāng)選用N=8時(shí)經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算,該功分器的插入損耗較N=7級(jí)時(shí)大,體積也增大,因此,該功分器選用級(jí)數(shù)N=7進(jìn)行設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)各端口性能指標(biāo)仿真結(jié)果如圖4所示,可以由下表1看出,駐波、插損、隔離各端口指標(biāo)均滿足且優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

表1 各電性能指標(biāo)的仿真結(jié)果

圖3 一分四功分器仿真模型

圖4 各端口電性能指標(biāo)仿真結(jié)果

4 功分器的實(shí)物加工與測(cè)試

通過(guò)仿真結(jié)果,對(duì)微帶電路進(jìn)行加工,設(shè)計(jì)功分器的腔體和蓋板,對(duì)各輸入輸出端口選用SMA連接器,實(shí)物如圖5所示。

圖5 功分器實(shí)物圖

通過(guò)對(duì)該功分器測(cè)試其端口各電性能指標(biāo),測(cè)試結(jié)果如圖6所示和表2 得出,該功分器的總口的駐波比<1.32,分口駐波比<1.16,插入損耗可優(yōu)于-8.3dB(含理論損耗-6dB),隔離度可優(yōu)于20dB,測(cè)試指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求,實(shí)物測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致,且實(shí)物駐波比和隔離度均優(yōu)于仿真結(jié)果。

圖6 功分器實(shí)物各性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)論

本文采用Wilkinson結(jié)構(gòu)的微帶功分器利用多節(jié)阻抗變換器相級(jí)聯(lián)的方法在低頻段及超寬帶探索研究。設(shè)計(jì)了一種低頻超寬帶一分四功分器,倍頻約為11.5,經(jīng)實(shí)物測(cè)試結(jié)果表明:在70MHz～800MHz的工作頻率范圍內(nèi),該功分器各端口的電壓駐波比<1.35,輸出隔離度優(yōu)于-20dB,插入損耗優(yōu)于-8.5dB(含理論損耗-6dB),該功分器性能指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求,證明該設(shè)計(jì)方法的可行性。