用于天线阵馈电的新型三等分功分器设计

傅世强,周 阳,房少军

(大连海事大学信息科学技术学院,辽宁 大连 116026)

1 引 言

功率分配器(简称功分器)是一种非常重要的微波无源器件,在天线阵馈电系统、功率放大器和雷达功率源中有着广泛的应用。近年来,功分器的研究已经越来越成熟,应用也越来越广泛[1-3]。然而一分三功分器的文献不多,最常用的方法是基于Wilkinson功分器设计原理,采用树状结构,先把输人信号分成两路,然后选择其中的一路再分成两路,如文献[4]所述。文献[5]对树状结构进行了改进,提出了一种无需隔离电阻的宽带三路等分功分器,但是仿真和实验结果不尽人意。文献[6]实现了一种直接一分三结构的功分器,由于考虑到物理结构的可实现,只采用了两个贴片电阻,导致无法实现各支路间的两两隔离,存在其中的两条支路隔离度差的问题。

本文基于Wilkinson功分器设计理论,通过引入二分之一波长微带传输线,对传统Wilkinson功分电路结构进行了改进,提出了一种结构简单、紧凑、性能优良的新型一分三功分器。根据海事卫星通信天线阵馈电网络的需求,设计了一款工作在海事卫星通信中心频率1.6 GHz的三等分功分器,并进行了加工制作和实际测量。

2 功分器设计

基于Wilkinson功率分配器理论设计三等分功分器有两种方法[1]:第一种是先实现一个功率比P1∶P2=1∶2 的两路功分器,再将支路 P2分为 P3∶P4=1∶1 的两路,这样就实现了 P1∶P3∶P4=1∶1∶1三路等功分功率分配器,如图1(a)所示;第二种是直接并联式一分三结构,用电阻跨接实现两两隔离,如图1(b)所示。

图1 三等分功分器结构原理示意图Fig.1 Schematic of three-way equal power divider

对于第一种结构,设计相对简单,但由于电路结构的不对称性,如果存在失配,将导致各输出端口的幅度和相位很难达到一致,与理论设计存在一定的偏差;对于第二种结构,由于需要两两支路跨接隔离电阻,如果采用微带平面电路形式,将在工程实现上存在困难。

为了解决以上问题,本文通过在隔离电路部分引入二分之一波长微带传输线,将图1(b)的功分器结构改进为图2所示。所提出的新型三等分功分器结构的中心为输入端,三条支路呈放射形对称分布,两两支路采用二分之一波长传输线串联电阻,再串联二分之一波长传输线的级联结构形式。由传输线理论可知,中心频率处隔离电路部分的[A]矩阵为

由[A]矩阵可知,两两支路之间的隔离电路部分仍等效为一个串联电阻,两段 λg/2传输线的引入,不但没有改变电路的性能,而且为电路的物理实现提供了便利。以图2的输出端口②、③为例,两个端口间的实际隔离电阻r为

图2 新型三等分功分器结构原理图Fig.2 Schematic of new three-way equal power divider

由图1(b)可知,任意两个端口之间的实际隔离电阻值为2Z0。由式(2)可得

3 仿真及实验结果

根据上节中所做的分析,设计了一款用于海事卫星通信频段的三等分功分器。中心频率为 f0=1.6 GHz,输入输出端口阻抗 Z0=50 Ψ,隔离电阻 R=150 Ψ。选用F4B系列微波介质材料板,相对介电常数为 εr=2.65,损耗角正切tanδ=0.003,厚度 h=2 mm。利用ADS和HFSS电磁仿真软件进行大量的仿真优化,得到最佳的电路尺寸和最终的加工实物如图3所示。

图3 功分器加工实物图Fig.3 Fabrication of the proposed power divider

使用Agilent N5230A四端口矢量网络分析仪对加工的功分器进行了实际测量。图4和图5给出了端口S参数仿真和实测结果的对比。为了让结果更清楚,本文仅给出了输入端口和单个输出端口的特性曲线。由于所提出的功分器具有结构对称性,因此根据给定的结果足以反映功分器各端口的整体性能。

图4 S11和S21仿真与实测结果对比图Fig.4 Simulated and measured results of S11and S21

图5 S22和S23仿真与实测结果对比图Fig.5 Simulated and measured results of S22and S23

由图4和图5可知,在海事卫星通信工作频带1 525～1 660.5MHz内,实测结果表明输入端口(S11<-25 dB)和输出端口(S22<-30 dB)均匹配良好;功率输出起伏很小,S21起伏0.1 dB,中心频率实测S21=-4.98 dB,接近理论值-4.77 dB,整个工作带内与理论值相比误差不超过0.3 dB;输出端口间的隔离高(S23<-20 dB),带内高频端最佳隔离超过30 dB。测试结果与仿真结果具有较好的一致性,实测结果略微向高频偏移,这可能由加工和测量误差造成。所制作的三等分功分器已成功应用于海事卫星通信螺旋天线阵设计当中。

4 结 论

本文介绍了一种新型微带三等分功分器的设计方法,并给出了研制结果。基于Wilkinson功分器理论,通过引入二分之一波长微带传输线,提出了一种对称电路结构的三等分功分器,解决了传统Wilkinson功分器直接多路输出无法跨接隔离电阻的难题。该功分器在整个设计频带内,各端口匹配好,各输出支路等分度好、隔离度高。测试结果与仿真结果具有较好的一致性,从而验证了该设计方法的有效。该功分器具有结构简单、紧凑、性能优良的特点,已应用于海事卫星通信螺旋天线阵设计中。

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