微带一分五宽带Wilkinson功分器的设计制作

徐　洋,彭　龙,张　帅

(成都信息工程大学 光电技术学院,四川 成都　610225)



微带一分五宽带Wilkinson功分器的设计制作

徐洋,彭龙,张帅

(成都信息工程大学 光电技术学院,四川 成都610225)

摘要针对功分器被应用于功率放大器、相控阵天线、混频器和多路中继通信机等微波设备中。其性能的好坏直接影响到整个系统能量的分配和合成效率。设计了一种工作频带在0.7～2.5 GHz的微带一分五宽带功分器,根据优化结果制作了器件实物。采用Ansoft Designer、Serenade以及HFSS软件进行协同仿真,仿真结果表明,该功分器在整个频带范围内具有良好的性能指标,器件测试结果与仿真结果吻合,适用于通信、功率分配合成系统中。

关键词微带;功分器;宽带

功分器在微波电路中有着广泛的应用,被应用在功率放大器、相控阵天线[1]、混频器和多路中继通信机等微波设备中。其性能的好坏直接影响到整个系统能量的分配和合成效率。随着宽带天线、宽带滤波器等器件的不断发展,对宽带功分器的需求也越来越大[2]。

功率分配器作为最基本的微波无源器件,其将一个输入信号分配成多个较小的信号,相反其也可将多个信号进行功率合成。当输出端口较多时,非2n个时,难以保证输出个端口幅度和相位的一致性。幅度和相位的一致性对系统的影响较大[3],例如在相控阵天线系统中。本文利用Ansoft Designer、Serenade、AutoCAD、HFSS等软件对功分器进行协同仿真,设计并制作出了工作频带在0.7～2.5 GHz的微带一分五宽带功分器。可广泛应用于通信、功率分配合成系统中。

1功分器的理论分析

1.1宽频带等分功分器

本文设计的是一个工作频带在0.7～2.5 GHz,涉及到功分比为1∶1的两路功分器,带宽约为4个倍频层,结合多节λ/4阻抗变换器相级联的形式,阻抗变换器采用4节。

通常选择的节数越多,功分器的工作频带越宽,同时带来的问题是传输线的损耗也会增加,尺寸也会越大,所以在设计过程中选择合适的节数是关键。对于功分比为1∶1∶1的3路功分器分析方法也是如此。

1.2宽频带不等分功分器

在此基础上,进一步进行了一个不等分两路功分器的设计,分配比为2∶3计算出了两路输出信号的分配损耗理论值分别为3.97 dB和2.21 dB。阻抗变换器同样采用4节。解决了不等分的路数分配后,其他的隔离原理等计算方法与等功率分配器的完全相同。

2功分器设计与实现方法

功分器的设计指标:工作频率为0.7～2.5 GHz;电压驻波比VSWR<1.3;插入损耗<1 dB;隔离度>20 dB。

本文采用的功率分配示意图如图1所示,采用ARLON 880作为介质基板,其相对介电常数为2.2,厚度为0.508 mm。

图1　功分器功率分配示意图

首先在Ansoft Designer搭建分配比为2∶3功分器电路模型[4],仿真得到其分配损耗和特性阻抗后在Serenade软件中建立功分器物理模型,最终电路版图以CAD格式导入到HFSS中进行三维电磁仿真。

3仿真设计

由上述设计方法得到微带一分五宽带功分器仿真模型[5],如图2所示。

图2　功分器仿真模型

由上图建立的仿真模型,仿真得到的结果如图3～图5所示。

图3　功分器隔离度仿真

图4　功分器输入输出驻波比仿真

图5　功分器传输损耗仿真

图3为功分器隔离度的仿真结果,端口2和端口3之间的隔离度在整个频带内小于设计值20 dB,应该是二等分功分器隔离电阻阻值的选取不合适。图4为功分器输入输出驻波的仿真结果,在所设计的频带内,功分器的输入端口Port1和输出端口Port2驻波VSWR>1.3,可能是由于输入端采取了不等分的设计方法造成功分器两路输出分配不均,也可能是由于不等分功分器隔离电阻阻值选取不当造成。图5为功分器传输损耗的仿真结果,在0.7～2.5 GHz频带内,插入损耗<1 dB,满足设计指标要求。但2路等分输出和3路等分输出间幅度平衡度过差,这是由于输入端两路分配插损不均造成的。为满足设计要求,优化不等分功分器的线长与线宽,选取合适的隔离电阻进行优化仿真,最终结果如图6～图8所示。

图6　功分器输入输出驻波比优化仿真

图7　功分器传输损耗优化仿真

图8　功分器隔离度优化仿真

4实物制作与测试

通过焊接电阻实现各端口之间隔离,外壳腔体采用本导材料。最终实际加工制作出的频段在0.7～2.5 GHz宽带功分器实物,如图9所示。

图9　0.7～2.5 GHz宽带功分器实物图

在各端口连接SMA端头,功分器各性能指标的测量采用AV36580A矢量网络分析仪,测试结果如图10～图12所示。

图10　样品隔离度

图11　样品驻波比仿真

图12　样品传输损耗仿真

图10～图12分别为样品的隔离度、输出驻波比、传输损耗测试结果,由上述3幅图可知,在0.7～2.5 GHz频段范围内隔离度>20 dB,驻波比<1.3,插入损耗<1 dB,测试结果与仿真结果很接近,说明HFSS三维仿真平台对宽带功分器设计有较好的指导作用。由图12可看出,功分比分别为1∶1和1∶1∶1的输出端幅度平衡略有差异,这主要是由于输入端采取了分配比2:3的不等分设计,两路分配损耗不均造成的[6-7]。

5结束语

本文采用不等分和等分相结合的设计方法并借助多节λ/4阻抗变换器的方式设计了工作频带为0.7～2.5 GHz微带宽带一分五功分器,利用Ansoft Designer,Serenade以及HFSS软件进行协同仿真并制作了功分器实物,最终实物测试结果与仿真结果吻合,设计方法可行。加工制作出的实物在0.7～2.5 GHz工作频带范围内具有良好的性能指标,其端口间隔离度>20 dB,驻波比VSWR<1.3,插入损耗<1 dB。可广泛应用于通信、功率分配合成系统。

参考文献

[1]杜明亮,孟明霞,刘昊,等.一种微带线高隔离度功分器的设计[J].微波学报,2012(S2):337-339.

[2]赵海,刘颖力,张怀武,等.宽带Wilkinson功分器的设计仿真与制作[J].电子元件与材料,2010,29(12):28-30.

[3]崔冬暖,王建辉.一分二十微带Wilkinson功分器的设计[J].电子科技,2014,27(4):79-81,94.

[4]顾其诤,项家桢,袁孝康.微波集成电路设计[M].北京:人民邮电出版社,1978.

[5]清华大学微带电路编写组.微带电路[M].北京:人民邮电出版社,1976.

[6]向敬成,张明友.雷达系统[M].北京:电子工业出版社,2001.

[7]刘红,王小峰.微波网络及其应用[M].成都:电子科技大学出版社,1997.

[8]高葆薪.微带电路计算机辅助设计[M].北京:清华大学出版社,1986.

Design and Production of a 5-output Broadband Wilkinson Microstrip Power Divider

XU Yang,PENG Long,ZHANG Shuai

(College of Optoelectronics Technology,Chengdu University of Information Technology,Chengdu 610225,China)

AbstractThe power divider is used in power amplifier,phased array antenna,mixer and multiplex relay communication equipment.The performance of the system directly affects the distribution and synthesis efficiency of the whole system energy.A microstrip one-point five-broadband power divider operating at 0.7～2.5 GHz is designed based on the optimization results.Collaborative simulations in Ansoft designer,Serenade and HFSS show good performance of the proposed power divider in the whole frequency range in communication,power distribution synthesis system.The device test results agree with simulation results.

Keywordsmicrostirp;power divider;broadband

中图分类号TN626

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)04-133-04

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.04.035

作者简介:徐洋(1990—),男,硕士研究生。研究方向:光电子器件。彭龙(1980—),男,副教授。研究方向:磁性材料及器件。

基金项目:四川省教育厅基金资助项目(13Z198);成都信息工程大学中青年学术带头人科研基金资助项目(J201222)

收稿日期:2015- 08- 23