一种带缺陷地的串行馈电网络

奚松涛 武小坡

(南京电子技术研究所 南京 210013)

1 引言

串行馈电网络体积小，耐功率高，且可以在不增加体积的前提下实现非 2的整数次方路数功率分配，被广泛应用于固态发射机中，用作功率分配器和功率合成器。串行馈电网络各端口的幅度一致性将影响其功率合成效率，从而影响发射机的输出功率。

对于层压式串行馈电网络而言，由于其电路全部在印制板内部，网络各端口幅度不一致的问题将无法通过调节电路来解决。

本文设计了一种带缺陷地的串行馈电网络，该网络可以通过调节缺陷地面积的大小实现各端口幅度的调节，从而使各端口的输出幅度达到基本一致。

2 原理

2.1 串行馈电网络工作原理

串行馈电网络是将宽边耦合定向耦合器串联起来，每一个定向耦合器将主路信号耦合出一部分输出，当耦合功率满足一定数值，使得每一路输出的功率一致时，则该串行馈电网络为等功分串行馈电网络。

图1是将定向耦合器级联起来构成串行馈电网络的网络框图。串行馈电网络作功率分配器用时，信号从P11输入，P12,P22,P32,P42和P43为信号输出端；作功率合成器用时，P12,P22,P32,P42和P43为信号输入端，P11为信号输出端。P14,P24,P34,P44分别接50 Ω负载。

在理想情况下，如果要求各端口输出一致，则各耦合器的耦合功率比如下：

图1 串行馈电网络示意框图Fig.1 Block diagram of the serial feeding network

根据定向耦合器的耦合功率比以及所选用板材的介电常数等信息，就可以计算出各耦合器的电路参数。再将各定向耦合器用50 Ω阻抗线级联起来，各耦合端间距满足分端口间距要求，就构成了5路串行馈电网络。

2.2 串行馈电网络各端口幅度一致性分析

串行馈电网络是由宽边耦合定向耦合器[1]构成的，其各端口幅度误差主要由宽边定向耦合器的耦合度偏差引起。宽边耦合定向耦合器可实现较强的耦合，其结构示意图如图2所示。

图2中左图为宽边耦合定向耦合器的截面图，Er1,Er2,Er3为板材的介电常数，一般应用中，3层板材的介电常数是相等的。W为耦合区的线宽，t为铜箔厚度，wc为耦合器印制线的偏移量，s为耦合器的板厚，B为整个腔体的高度。右图为宽边耦合定向耦合器耦合区双面电路图，P一般为使用频率的1/4波长。在介电常数和板材高度已知的前提下，可以计算出不同耦合度下的印制线线宽W和两层印制线之间的偏移量wc，从而设计出相应耦合度的宽边耦合定向耦合器。

当然在实际加工中，上述变量都会存在一定的误差，因此在设计时要考虑误差的影响，否则，实际所测得的耦合度和设计值会有偏差。

对于图 2所示宽边耦合器而言，W 越宽，wc越大，s越小，B越大，耦合度越强，相反地耦合器耦合度越弱。其中W主要取决于印制板蚀刻精度以及光绘模板的曝光精度，wc取决于光绘模板的拼版精度以及W的最终宽度，s和B取决于板材的精度。因此可以根据板材的选择(s和B的公差偏向)以及光绘模板拼版精度(s的公差偏向)来适当调整印制线的线宽(W)，达到中和公差影响的目的。

图3所示是用ansoft公司的designer软件仿真的当W变化±0.03，以及s变化±0.03情况下8 dB耦合器的耦合度变化。

可以看出，当W为正公差而s为负公差或W为负公差而s为正公差的时候，其耦合度变化较大。8 dB耦合器在W和s极限公差0.03 mm情况下的幅度偏差达到了±0.3 dB，此时8 dB耦合器的耦合功率比偏差达到±6%。

对于单个耦合器而言，这样的变化可能不大，但利用这样的耦合器构成的串行馈电网络，其误差将不断叠加，使得串行馈电网络各端口之间的幅度一致性偏差较大，对其合成效率带来较大的影响。

一般情况下，在同一个电路中，因加工工艺相同，各耦合器的耦合度是同时变强或同时变弱的。假设偏差为Δ (这里Δ为功率百分比)。则

进一步通过计算可以推出

以Δ=0.02和Δ=-0.02为例，计算各端口的功率比以及传输幅度结果如表1所示。

图2 定向耦合器示意图Fig.2 Diagram of the coupler

图3 不同线宽和板材厚度下的耦合度Fig.3 The coupling factor with different W and s

表1 各端口功率输出与功率偏差百分比之间的关系Tab.1 Power output with the change of Δ

由表 1中数据计算可得，当Δ=0.02时，P12端口的输出功率比为 0.2200，对应幅度为−6.58 dB，而P43端口的输出功率比为0.1776，对应幅度为−7 .51 dB，两者相差约1 dB，当Δ=-0.02时，P12端口的输出功率比为0.1800，对应幅度为−7 .45 dB，而P43端口的输出功率比为0.2265，对应幅度为−6 .45 dB，两者相差约 1 dB。如果按正常的加工工艺，Δ=0.06时，5路串行馈电网络的幅度误差将难以想象。

2.3 缺陷地的应用

1999年韩国学者Park和Kim等人在研究光子带隙(Photonic Band Gap,PBG)结构的基础上首次提出了缺陷地结构(Defected Ground Structure,DGS)[2－4]。DGS是通过在微带线的接地板上蚀刻出缺陷图案，以改变微带线衬底材料有效介电常数分布，从而改变微带线的分布电感和电容，使得由DGS构成的微带线具有带阻和慢波特性[5－15]。同样，在介质带状线的接地板上蚀刻出缺陷图案，可以改变介质带状线的有效介电常数。

图4所示为哑铃型DGS模型和等效电路，该电路的谐振频率可表示为：

式中ωc代表3 dB截止角频率，Z0指传输线的特性阻抗。等效电感Lp的大小取决于哑铃两端蚀刻方块的面积(a×b)，方块的面积越大，Lp也越大；等效电容Cp的大小取决与l的大小，当l增加，Cp也增加。

图4 DGS模型及等效电路Fig.4 DGS model and its equivalent electrical circuit

而串行馈电网络中定向耦合器的奇偶模和耦合度之间的关系如下：

此处K为宽边定向耦合器的耦合度，Z0e和Z0o特性阻抗，L和C为分布电感和分布电容。因此改变L和C中的1个值或2个都改变，就能使宽边耦合定向耦合器的耦合度发生变化。如果能够将缺陷地加载到宽边耦合定向耦合器上边，改变方块的面积(a×b)或 l的大小，就可以达到改变L和C的目的了。

对于改变宽边定向耦合器的耦合度而言，只需要改变L和C中的1个变量即可，因此我们将哑铃型缺陷地改成矩形缺陷地形式。设计在宽边耦合定向耦合器的正上方，就构成了带缺陷地的宽边耦合定向耦合器，如图5所示。

3 仿真计算

我们选择S波段6 dB定向耦合器为例。板材由2层1.27 mm厚和1层0.25 mm厚的板材构成，其中0.25 mm后的板材正反面印制耦合器电路，板材介电常数为2.94。应用Ansoft HFSS11进行仿真。

图5所示为带缺陷地和不带缺陷地的定向耦合器仿真模型。缺陷地的尺寸为a=10 mm,l=10 mm。对应相同印制电路，2个定向耦合器的耦合度曲线如图6所示。其端口驻波和隔离度曲线如图7和图8所示。

由上述仿真比较可知，带缺陷地的定向耦合器的耦合度要比不带缺陷地的强约0.4 dB。此外，其隔离度和端口驻波都在20 dB以下，满足一般系统设计要求。

4 实验验证

设计并制作了一种S波段5路的带缺陷地的串行馈电网络，外形如图4所示。板材由2层1.27 mm厚和1层0.25 mm厚的板材构成，板材介电常数2.94，其中0.25 mm厚的板材正反面印制耦合器电路，3层板材通过半固化片层压在一起。缺陷地矩形框在各输出端口所在耦合器耦合区的正上方。为了更精确地控制缺陷地对耦合度的影响，将缺陷地设计成多个小的矩形，如图9所示。

图5 定向耦合器仿真模型Fig.5 Simulation model of the coupler

图6 定向耦合器耦合度曲线Fig.6 The Coupling factor of the coupler

用矢量网络分析仪测试P11端口到P12端口之间的幅度，在全部覆盖P12端口所对应的缺陷地后，中心频点的幅度为7.8 dB，不覆盖的情况下，P12端口中心频点的幅度为7.4 dB，两者相差0.4 dB，该端口15%带宽频带内60个频点的幅度测试数据如图10所示。

其他端口在覆盖和不覆盖情况下，幅度变化在0.2 dB到0.4 dB之间。一般情况下，所在端口对应耦合器的耦合度越弱，幅度变化范围越大。

将串行馈电网络中的缺陷地全部覆盖和全部不覆盖的情况下以及部分覆盖(调试)后中心频点的数据如表2所示。

图7 定向耦合器耦合端端口驻波曲线Fig.7 The VSWR factor of the coupler

图8 定向耦合器隔离度曲线Fig.8 The isolation factor of the coupler

图9 带缺陷地的串行馈电网络示意图Fig.9 Diagram of the serial feeding network with DGS

图10 P12端口在缺陷地全覆盖和不覆盖时实测幅度曲线Fig.10 The testing amplitude with DGS and without DGS

表2 缺陷地极限状态和调试状态的测试数据比较(dB)Tab.2 The comparative amplitude (dB)

由表2数据可知，通过调节各端口所对应耦合器的缺陷地数量，可以将原本幅度偏差0.7 dB的串行馈电网络的端口幅度一致性调整得比较理想(0.1 dB)。达到了通过调整缺陷地来调试串行馈电网络幅度一致性的目的。上述针对幅度一致性的调试过程，均在串馈网络大面积地上进行，对内部电路不构成损伤，保证了串馈网络的可靠性。

针对星载产品，可以采用根据测试结果增加缺陷地的方式以避免过多的焊接等过程。具体操作为根据首件测试结果计算出需要蚀刻的缺陷地大小和数量，然后在印制板表面将需要的缺陷地进行激光蚀刻，通过测试筛选将满足指标要求的产品筛选出来。

5 结论

本文设计了一种层压式串行馈电网络，通过在串行馈电网络中增加缺陷地设计，并通过改变缺陷地窗口的数量对串行馈电网络各端口的幅度进行调节，解决了层压式串行馈电网络无法调试的问题，从而使串行馈电网络各端口输出幅度尽量保持一致。使用该方法生产的串馈网络可靠性高，成品率高，已经成功应用于某星载发射机中，在轨运行良好。

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