宽带功分器设计和电磁仿真研究

宋立众, 刘尚吉, 王永建

(1. 哈尔滨工业大学(威海) 信息与电气工程学院, 山东 威海　264209；2. 中国航空工业集团公司济南特种结构研究所, 高性能电磁窗航空科技重点实验室, 山东 济南　250023;3. 国家计算机网络应急技术处理协调中心, 北京　100029)



宽带功分器设计和电磁仿真研究

宋立众1, 刘尚吉2, 王永建3

(1. 哈尔滨工业大学(威海) 信息与电气工程学院, 山东 威海264209；2. 中国航空工业集团公司济南特种结构研究所, 高性能电磁窗航空科技重点实验室, 山东 济南250023;3. 国家计算机网络应急技术处理协调中心, 北京100029)

讨论了综合工程实践和电磁仿真技术的电磁场与微波技术课程的实践教学思路,以期提高该课程教学的实用性。以常用的宽带功分器的设计为例,分别讨论了基于全波电磁仿真技术的2路输出和3路输出的宽带功分器的设计方案。采用全波电磁仿真软件对设计的功分器进行仿真优化,给出了具体电磁仿真结果。该教学实践项目展示了该实践教学模式的有效性和优越性,该宽带功分器也适用于天线阵列和电磁场实验等实际应用场合。

电磁场与微波技术； 宽带功分器； 电磁仿真； 微带电路

电磁场与微波技术课程是电磁场与无线技术等专业的重要专业基础课程，是学习后续的微波电路、微波测量、微波网络等相关专业课程的基础,对研究生阶段的学习也十分重要。近年来,电磁场与微波技术学科迅速发展,各种新理论、新技术、新的设计工具和实验手段不断出现和高速发展。因此,在教学改革中,有必要在本课程的教学环节中适当引入这些新的设计工具和实验手段,以达到开阔学生的视野、熟悉实际工程应用的目标。在电磁场与无线技术专业的课程体系中,无源射频电路理论和技术是重要的教学内容之一,现代射频电路的设计越来越依赖于电磁仿真软件的使用。因此,将传统的射频电路设计技术与电磁仿真技术相结合,已逐渐成为当前射频电路技术领域的主流设计模式,电磁仿真软件在该专业本科环节中的引入显得尤为重要[1-3]。本文以电磁场与无线技术专业课程教学为背景,探讨将电磁仿真技术与射频电路相结合的教学模式。

功分器是一种重要的射频器件,在微波功率传感器、混频器、相位检测、天线阵列等方面获得了广泛的应用。功分器可采用各种传输线,例如波导、同轴线、微带线、共面波导、槽线、不对称共面带线等,种类很多[4-8]。由于射频功分器的重要应用,本文将以宽带射频功分器为例,讨论电磁仿真技术在实践教学中的应用和效果,为开展实际的实践教学工作提供参考和示范。

1　两路输出功分器的设计与电磁仿真

结合实际科研项目的本科生实践教学是一种创新性的教学模式[9],也是本专业课程教学改革的内容之一。在该教学模式中,指导教师和学生共同讨论和设计电路,从而完成某项具体的科研项目,要求科研项目本身难度适中,技术目标明确。本文讨论基于电磁仿真的射频电路的设计与仿真课题,采用的教学过程如图1所示。

图1　结合电磁仿真的功分器设计的实践教学过程

在进行微波电路与天线设计的电磁仿真软件中,常用的有ADS软件、CST软件、HFSS软件和CST软件等。本文应用CST软件进行设计和电磁仿真。功分器是将输入信号功率分成相等或不相等的几路功率输出的一种多端口微波网络,广泛应用于雷达系统、通信系统以及天线阵列的馈电系统中[9-13]。从理论上讲,功分器可分为输出端间没有隔离的功分器和有隔离的功分器两种。现代电子系统对工作带宽的要求越来越高,因此,设计宽带甚至超宽带的功分器已成为研究的热点[14-16]。设计宽带功分器的常用方法是采用多节阶梯变换节或者渐变线变换节,而相对于多节阶梯变换节,渐变线变换节在工作带宽一定时,其长度一般比用多节阶梯变换器要短。本文以天线阵列中的馈电用功分器设计为例,探讨基于电磁仿真的宽带功分器的设计方法。本节讨论双路输出的宽带射频功分器的设计和电磁仿真问题。本实践教学设计的功分器的工作频率为0.2 GHz,在输入端口的反射较小,输出端口接天线单元,天线单元可视为谐振状态,输入阻抗约为50 Ω,功分器的输出端口的电压为等幅同相状态。

本文采用微带电路技术设计宽带的双路输出功分器,设计的微带电路放置于金属腔体内,实现功分器与外界环境之间的电磁屏蔽,输入和输出端口连接同轴接头,便于性能测试。该双路输出的功分器的外形是金属腔体，见图2(a),内部放置的微带电路板见图2(b),微带电路板的铜箔厚度为0.036 mm,介质基板的厚度为1 mm,介质基板的材料选择FR4板材。功分器的端口1为输入端口,端口2和端口3为输出端口,输出端口和输入端口的微带线的特性阻抗均为50 Ω。在输出支路上,采用连续的阻抗变换传输线以实现宽带的阻抗匹配。同时,为了减小功分器的尺寸,本文采用了传输线的曲折线技术。

在设计的功分器的结构中,包含了金属腔体结构,该金属腔体结构也作为功分器的一部分进行设计和仿真,最后根据仿真结果确定金属腔体的内腔高度约为21 mm。

图2　双路输出功分器的结构模型

本文以CST软件作为电磁仿真工具,对设计的双路输出的宽带功分器进行电磁仿真和性能优化。图3是双路输出功分器的3个端口的回波损耗的仿真结果。由图3可以看出,该功分器的输入端口的回波损耗在频率为0.10～0.30 GHz范围内小于-10 dB,电压驻波比(VSWR)小于2,相对带宽可达到100%。由于双路输出功分器为三端口网络,该网络是互易和无损耗的,因此,不能实现所有端口的匹配。

图3　双路输出功分器的3个端口的回波损耗的仿真结果

图4为输入端口到两个输出端口的信号传输特性仿真结果,可以看出,在工作频率为0.2 GHz时,该功分器从输入端口到两个输出端口的信号传输幅度分别约为-3.26 dB和-3.32 dB,具有近似的对称性；从输入端口到两个输出端口的信号传输相位分别约为163.38°和163.98°,相位基本相同,满足预期指标要求。图5给出了输出端口的S23(散射参数)的幅度特性曲线,在工作频率为0.2 GHz时,该功分器的两个输出端口的S23的幅度约为-6.0 dB,不具有隔离特性。

图5　双路输出功分器的输出端口的S23的幅度特性仿真结果

2　三路输出功分器的设计与电磁仿真

设计的功分器的工作频率也为0.2 GHz,要求也是输入端口是匹配的,输出端口接天线单元,天线单元的输入阻抗约为50 Ω,即负载与传输线是匹配的；功分器的输出端口的电压为等幅同相状态,即输出是等功率分配的。此处仍采用微带电路技术设计宽带的三路输出功分器,设计的三路输出微带电路板放置于矩形金属腔体内,实现功分器与外界环境之间的电磁屏蔽,输入和输出端口连接同轴接头。该三路输出的功分器的金属腔体外形见图6(a),内部放置的微带电路板见图6(b),其中微带电路板的铜箔厚度为0.036 mm,介质基板的厚度为1 mm,介质基板的材料选择FR4板材。图6(b)中，端口1为该功分器的输入端口，端口2、端口3和端口4为输出端口,输出端口和输入端口的微带线的特性阻抗均为50 Ω,同样,在输出支路上,采用连续的阻抗变换传输线实现输出端与50 Ω欧姆特性阻抗的宽带匹配,此处也采用了传输线的曲折线技术来减小功分器的尺寸,金属腔体也为矩形结构,作为边界条件,参与三路功分器的电磁仿真计算。

图6　三路输出功分器的结构模型

本文仍以CST软件作为电磁仿真工具,对设计的三路输出的宽带功分器进行电磁仿真和性能优化。图7是三路输出功分器的3个端口的回波损耗的仿真结果,可以看出,该功分器的输入端口的回波损耗在频率为0.15～0.25 GHz范围内的电压驻波比小于2,相对带宽约为50%；3个输出端口的回波损耗基本一致。

图7　三路输出功分器的4个端口的回波损耗的仿真结果

图8为输入端口到3个输出端口的信号传输特性仿真结果,可以看出,在工作频率为0.2 GHz时,该功分器从输入端口到3个输出端口的信号传输幅度分别约为-5.20 dB、-5.20 dB和-5.22 dB,具有较好的对称性；从输入端口到3个输出端口的信号传输相位分别约为78.41°、78.38°和78.02°,相位基本相同,满足预期指标要求。

图9给出了输出端口的S23、S24和S43的幅度特性曲线,在工作频率为0.2 GHz时,该功分器3个输出端口的隔离特性分别为:S23的幅度约为-8.91 dB、S24的幅度约为-8.87 dB,S43的幅度约为-8.87 dB,输出端口之间也不具有隔离特性。

图8　三路输出功分器的输入端口到3个输出端口的信号传输特性仿真结果

图9　三路输出功分器的输出端口的隔离特性的仿真结果

3　结语

电磁仿真技术已成为电磁场与微波技术学生必须掌握的专业技能之一,因此,面向实际工程实践的要求,开展结合全波电磁仿真技术的电磁场与微波技术的教学活动是本课程教学改革的重要内容。本文基于该教学改革的需求,进行了该教学模式的探索工作。功率分配器是一种十分常用的基本电路单元,本文以宽带功分器设计为例,采用全波电磁仿真软件进行了双路输出和三路输出的宽带功分器的结构设计和电路性能的仿真优化,阐述了相应的设计结果。该教学实践项目展示了本教学模式的特点和优越性。同时,本文研究的宽带功分器设计对工程应用也具有参考作用,有利于本专业学生熟悉该领域的工程实践。

References)

[1] 吕秀丽, 李延菊, 王明吉,等.基于Matlab的矩形波导场分布仿真实验研究[J].实验技术与管理, 2010,27(3):74-77.

[2] 房少军, 李洪彬, 段晓燕,等. 天线实验教学仿真系统的研究[J].实验室研究与探索,2010,29(1):50-52,58.

[3] 汪涛,毛剑波,刘士兴,等. 天线仿真实验的设计与教学实践[J].实验技术与管理,2012,29(12):89-93.

[4] 焦永昌, 廖小平. 微波功分器的模拟与设计[J].传感技术学报,2008,21(3):424-427.

[5] Kao Juichih, Tsai Zuomin, Lin Kunyou, et al. A Modified Wilkinson Power Divider With Isolation Bandwidth Improvement[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2012,60(9):2768-2780.

[6] Deng Puhua, Chen Yuta. New Wilkinson Power Dividers and Their Integration Applications to Four-Way and Filtering Dividers[J]. IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, 2014,4(11):1828-1837.

[7] Xia Bin, Wu Linsheng, Ren Siwei, et al. A Balanced-to-Balanced Power Divider with Arbitrary Power Division[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2013,61(8):2831-2840.

[8] Ding Jinyi, Wang Qingyuan, Zhang Yunbo, et al. A Novel Five-Port Waveguide Power Divider[J]. IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 2014, 24(4):224-226.

[9] 汤宗健. 自主项目驱动教学模式的研究与实践[J]. 实验技术与管理,2010,27(7):133-135.

[10] Amin M Abbosh. A Compact UWB Three-Way Power Divider[J]. IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 2007,17(8):598-600.

[11] Marco A Antoniades, George V Eleftheriades. A Broadband Series Power Divider Using Zero-Degree Metamaterial Phase-Shifting Lines[J]. IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 2005, 15(11):808-810.

[12] Song Kaijun, Xue Quan. Ultra-Wideband Ring-Cavity Multiple-Way Parallel Power Divider[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2013, 60(10):4737-4745.

[13] 傅世强, 周阳, 房少军. 用于天线阵馈电的新型三等分功分器设计[J].电讯技术, 2012,52(9):1537-1540.

[14] 赵培杰, 吕善伟. 宽频带任意比功分器的微带线实现[J].电子测量技术, 2006,29(3):142-143.

[15] 惠晓威,姜瀚. 小型化超宽带(B19) 功分器的模拟与设计[J].郑州大学学报:工学版,2014,35(1):120-123.

[16] 饶睿楠, 高永强. 宽带功分器的设计与仿真[J].火控雷达技术, 2008,37(4):70-73.

Research on design and electromagnetic simulation of wide band divider

Song Lizhong1, Liu Shangji2, Wang Yongjian3

(1. School of Information and Electrical Engineering, Harbin Institute of Technology at Weihai, Weihai 264209, China;2. Research Institute for Special Structures of Aeronautical Composite AVIC, Aeronautical Science Key Laboratory for High Performance Electromagnetic Windows, Ji’nan 250023, China; 3. National Computer Network Emergency Response Coordination Center of China, Beijing 100029, China)

In order to improve the practicability of the course teaching, this paper discusses a kind of practical teaching method of Electromagnetic Field and Microwave Technology course, combining both engineering practice and electromagnetic simulation. Taking the design of common wide band dividers as an example, this paper also discusses the design schemes of two-way and three way output dividers, respectively. The designed dividers were optimized by using the full wave electromagnetic simulation software and specific simulation results were provided. The design result of this teaching practical project shows the effectiveness and advantages of the proposed practical teaching mode. These researched wide band dividers are also suitable for some practical application cases such as antenna array and electromagnetic wave experiments.

electromagnetic field and microwave technology; wide band divider; electromagnetic simulation；microstrip circuit

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.04.020

2015- 10- 24修改日期：2015- 11- 28

哈尔滨工业大学(威海)校级教学研究项目(ITDA10002104);国家科技重大专项(2014ZX03003001-004);航空科学基金项目(20131837001);国家自然科学基金面上项目(61271118)

宋立众(1975—)，男，辽宁沈阳，博士，教授，博士生导师，研究方向为天线技术、电磁场与微波技术、雷达技术.

E-mail：songlizhong@hitwh.edu.cn

TN626

A

1002-4956(2016)4- 0068- 05

仪器设备研制与应用