Wilkinson功分器相位补偿研究

乔鹏翔,俞育新，祁 全,蒋 潇

(1. 中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京 211153；2. 海军舟山地区装备修理监修室，浙江 舟山 316000)

0 引 言

由于现代雷达系统复杂性的提高，雷达系统的回波信号经过天线后经常需要多路接收通道同时传送[1]。但是，通道间的固有差异使得各路接收通道的信号输出相位存在不一致性。为此，需要对相位进行补偿，以消除通道固有差异对相位的影响[2]。通常的相位补偿方法是在微波电路中传输微波信号的微带线上贴铜皮。该铜皮等效为一个片式电容与微带线互连，以改变微波电路中传输微波信号的相位。但是，该铜皮的尺寸和在微带线上的位置对微波信号传输相位的影响都是由经验获得，再在电路中加以调试实现。本文通过引入铜皮等效电路模型对微带线功分器的相位补偿展开研究。

1 Wilkinson功分器原理

2 相位补偿电路模型与推导

基于微带线的相位补偿电路是由传输信号的微带线和微带线旁的片式电容组成，其结构示意图如图2所示，物理模型如图3所示。

在图3中，θ1是信号输入端至微带开路线处的微带线的电长度，表示为θ1=2πl1/λg，λg是微波信号在微带线上的传输波长[4]。同样，θ2是微带开路线处至信号输出端的微带线的电长度。C为片式电容，其电容值计算公式表示为

(1)

式中，Z0为特征阻抗，θ为开路微带线l3的电长度。因此，图3中从信号输入至信号输出级联网络的归一化ABCD矩阵如下表示：

(2)

(3)

根据矩阵[a]至矩阵[S]的转换公式(3)，将式(2)转化为矩阵[S]，计算参数S21的角度值为Angp1，即为引入片式电容后微波信号从输入端传至输出端的相位延迟值。

在不引入片式电容的情况下，计算微波信号在相同微带线上传输的相位延迟值为

(4)

所以，计算(Angp1-Angp0)的差值即为增加片式电容后的相位补偿值。

3 仿真与测试结果

仿真与测试结果如图4、图5所示。

由图4可知，使用仪表为罗德施瓦茨ZNB20矢量网络分析仪，测试频率范围为8.2～9.1 GHz。在威尔金森功分器微带线上贴铜皮前测得相位如图所示：起始8.2 GHz相位为-33.92°，末尾9.1 GHz相位为44.83°。由图5所示，贴铜皮后相位发生了明显改变，起始8.2 GHz，相位为-50.54°，末尾9.1 GHz相位为28.50°。

本次测试使用功分器微带线的长度经测量为156.5 mm，宽为0.92 mm。使用的铜皮长2.45 mm，宽1.68 mm，以贴铜皮处为分界点，左侧微带线长为128.5 mm，右侧微带线长度为28 mm。

微带线功分器实物图如图6所示，黑色框内为贴铜皮处。以此为参照使用AWR建立仿真模型如图7所示。

相位仿真结果如图8所示。从图中可以看出，起始8.2 GHz相位为-58.60°，末尾9.1 GHz相位为30.98°。由此可得，实测数据与仿真结果几乎一致，验证了理论的正确性。

4 结束语

本文引入铜片等效电路模型，建立了片式电容与微带线相连的物理模型，将该模型转换为矩阵[S]后计算连接的片式电容对传输微波信号的相位影响。同时，利用AWR微波仿真软件对该等效电路模型进行仿真分析，通过实测数据与仿真结果对比，验证了该模型建立和推导的正确性。因为可以方便地在微带线上贴铜皮，所以本文的分析对改善微波电路中相位一致性具有实践指导意义。