多路宽带带状线功率分配器设计分析

2012-01-14张文梁丁春艳

无线电工程 2012年7期

张文梁，丁春艳

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄050081)

0 引言

功率分配器简称功分器，是微波电路中的重要部件，在相控阵天线和功率分配等领域中有着广泛的应用。目前的微波功率分配器多为级联威尔金森(Wilkinson)形式的二功分器，其优点在于设计方法较简单、易于实现，输出端口可以实现较高隔离;缺点在于随着路数的增加，插入损耗也随着增大。下面设计的多路微波功率分配器采用带状线的形式，这种形式的功率分配器结构复杂一些，但是在插损和隔离度等指标方面占有一定优势。

1 设计方案

设计一种频率范围为3～10 GHz的八功分器，通过7个Wilkinson形式二功分器实现。将设计好的二功分器进行级联，就可以得到八功分器。

1.1 二功分器电路设计

Wilkinson形式的二功分器原理图如图1所示。八功分器设计框图如图2所示。

根据带宽设计二功分器，得到需要的阻抗变换器的级数和各级阻抗变换器的阻抗值。

图1 二功分器原理

图2 八功分器设计

首先要把二功分器看成是一个50～25 Ω的阻抗变换器(输出的2路都是并联的，因此输出端的并联阻抗为25 Ω)，由3级1/4波长的阻抗变换器进行阻抗变换，变到输出阻抗50 Ω。2个输出端口之间如果不加隔离电阻，则输出之间不能提供足够的隔离度。根据文献［1］给出的公式:

式中，N为合路器端口的数目。二功分器输出端口之间的隔离度为6 dB，实际应用所要求的隔离度大于6 dB，得到高隔离的方法是在2级阻抗变换器之间加隔离电阻。

查阅文献［2］的相关部分能够得到所需要的阻抗变换器的级数以及每级阻抗变换器的阻抗值。查表得知，所需要的级数为3级，阻抗变换器的阻抗值分别为:86.9 Ω、70.7 Ω 和 57.4 Ω，隔离电阻值分别为:107 Ω、210 Ω 和 400 Ω。查表得出的阻抗值只是理论值，由于各方面的影响，最后仿真确定的值会有微小的偏差。

试验中选用了Rogers公司的RO5880电路板材，厚度为0.508 mm。用Ansoft Designer软件对二功分器进行电路模型的绘制和仿真。将电路仿真完成的版图再导入微波工作室(CST)软件中进行电磁场仿真。考虑到电路和场的因素，电路仿真好的版图在电磁场里可能会有所变化，此时要在电磁场中对电路进行优化，使其达到最佳状态。在CST中仿真结果如图3所示。

图3 仿真结果

从仿真结果可以看出:在3～10 GHz频率范围内回波损耗、隔离度优于18 dB，插入损耗小于3.2 dB，能够满足工程中大多数情况下的需求。

1.2 八功分器电路设计

二功分器是八功分器的基本组成单元，在电路中只需要按照图2的方式将上面7个仿真过的二功分器进行级联，就可以得到所需要的八功分器，仿真结果如图4所示。

图4中的直线是插入损耗S21，波纹线为1端口的回波损耗。在3～10 GHz频带内，八功分器插入损耗小于10 dB，回波损耗优于15 dB，隔离度大于17 dB。

图4 八功分器仿真结果

1.3 结构设计

下面研究在工程中带状线形式功率分配器的实现办法。在工程中，受制于技术和工艺水平，带状线一般采用上下2层介质相压的形式。将2层完全一样的介质层相互叠加并将其压紧，在2层介质的中间设计电路，这就是带状线的模型。

带状线的结构形式造成了电路的实现困难，尤其是印制线上需要安放微波器件的情况。带状线形式的功率分配器中，涉及到的微波元器件只有贴片电阻。在一张电路板上设计好印制线电路并将电阻焊接好，然后做一张大小形状相同的电路板，腐蚀掉覆铜后将其放在有电路的印制板上面，并将其与电阻相对应的位置挖掉一个小孔使其能够容纳电阻。利用外部结构将上下2层压紧，这样就构成了带状线的电路。

1.4 电磁兼容设计

由于3～10 GHz的频率跨度比较大，而一块介质自身会存在谐振，如果谐振的频率落在了八功分器带内(3～10 GHz)，就会影响八功分器的指标。在结构设计的同时要考虑电磁兼容的问题，使结构不影响电路的性能。通过CST软件进行计算可知，体积为20 mm×10 mm×1.57 mm的RO5880介质最低的谐振频率大于11 GHz，在设计时印制板的隔腔面积不应大于20 mm×10 mm。

2 需要解决的问题

2.1 SMA型连接器与带状线的连接问题

仿真中采用的是波端口，工程中多采用SMA型的连接器。由于带状线是在2层介质中间的印制线，因此SMA型连接器怎样和带状线连接是设计中必须解决的问题。

针对带状线的形式选取了一种型号为SMAKFD33的连接器，这种SMA型连接器焊接的芯子为一个薄片，厚度为0.2 mm。安装时将薄片部分插入2层介质中间的印制线上，这样不会恶化带状线的性能。

2.2 结构形式的实现问题

2.2.1 如何保证带状线物理特性

设计采用的是带状线形式的功率分配器。保证带状线的物理特性是保证设计成功的基本条件。保证带状线物理特性最重要的就是保证2层介质的无缝相接。通过反复试验，腐蚀掉印制板与盒体接触的部分的覆铜对压紧2层介质具有明显作用，并且能够使接地更加良好。

2.2.2 如何对印制板进行隔腔

在2层印制板上没有印制线经过的地方放置过孔，2个过孔表面的覆铜要连接在一起，每块由过孔圈起来的面积不大于20 mm×10 mm。这样相当于将印制板分成了许多独立的小单元，每个单元周围都被地隔开，构成一个腔体。安装时在盒体正面使用20颗螺钉将上下2层压紧，既起到了隔腔的作用，又不破坏带状线的结构形式。