基于双级阻抗变换的1分32路Wilkinson功分网络设计

文/李鹏程

1 引言

功分网络是相控阵雷达中的重要组成部件，近年来，随着毫米波的迅速发展，低剖面、宽带化且易于与微波电路集成等逐渐成为国内外科研机构和学者的研究热点。本文设计了一种基于双级波导腔-微带线混合型Wilkinson单元的宽带功分网络，工作频段范围可跨越Ku和 K波 段（Ku:14.5～ 16.5GHz；K:21.4-22.9GHz），加工后实测端口驻波控制均优于1.5，幅度和相位均方根误差分别控制在0.5dB和5°以下。

2 1分2双级宽带Wilkinson功分器仿真设计

Wilkinson功分器由于具备其输出各端口之间可以在保证匹配前提下同样具备高隔离度的显著优势而用途广泛。以单级1分2的功分单元为例，由于微带传输线的工作带宽限制，传统的Wilkinson功分器相对带宽为10%，针对相控阵雷达设计指标要求的Ku及K波段（14.5GHz-22.9GHz，相对带宽为45.3%），传统Wilkinson功分器往往很难满足该需求。在本设计中引入了双枝节λ/4阻抗变换线，构成了双级Wilkinson功分器结构，使其工作带宽满足超宽带工作需求。其结构示意图如图1所示。图1中， Z1、Z2分别代表的两段λ/4阻抗变换线的特性阻抗，其长度对应谐振频率分别为16GHz和22GHz，故而可以在14GHz-23GHz的频段范围内形成了参差调谐，从而可实现宽带工作；此外，图1中，Port1、Port2和Port3的端口均通过标准的SMP射频连接器与其他模块进行互联，故而Z0=50Ω，欲使各端口获得好的驻波比，且端口之间具备良好的隔离度，就必须使其各段枝节线特性阻抗以及吸收电阻阻值的分配符合契比雪夫分布。经计算，取近似值可以得到，第一节传输线特性阻抗Z1=87Ω；并联电阻阻值R1约为100Ω；第二节传输线特性阻抗Z2=62Ω；并联电阻阻值R2约为200Ω。

参照图1，利用三维仿真软件ANSYS HFSS 15.0对该单元功分模型进行全波仿真分析，该模型中印制板材料为Arlon AD320A(tm)，厚度为10mil（0.254mm），为了给集总电阻元件提供足够安装空间，Z1、Z2对应的λ/4阻抗变换线长度分别为2.75mm、2mm；此外，该模型载体为铜铝合金材料，故而在仿真模型中边界条件可设置为PEC。最后，仿真优化得到该1分2单元的耦合系数的幅度、相位及各端口的驻波。各个端口均可实现良好的匹配效果，其驻波均可以保证在1.26以下；在要求频段（14.5-16.5GHz，21.4-22.9GHz）范围内，其相位一致性均可以保证在0.5°以内；仿真得到的幅度一致性均可控制在0.02dB以内，指标优良。故而，以此单元功分器形式为基础，进而级联构成1分32的功分网络模型。通过合理布局及优化，输出端口间距均设定为9mm。

3 功分网络（1分32）测试结果

根据仿真模型加工，其输入端口为侧馈形式，输出端口均为背馈形式，如图2所示。利用安捷伦矢量网络分析仪，测试频率范围：10MHz-43.5GHz）进行测试。测试功分网络时，除去被测端口外，其他端口均接入50欧姆匹配负载。

经测试，输入输出端口的驻波均保持在1.3以内；在14.5～16.5GHz和21.4～22.9GHz的频段范围内，其相位误差均方根均可以保证在4.7°以内；其幅度误差均方根可控制在0.3dB以内，满足设计要求。

图1：双级Wilkinson功分器仿真模型图

图2：Wilkinson功分网络腔体未封装实物图

4 结论

设计了一款基于双级阻抗变换的宽带Wilkinson功分网络，该网络采用介质-波导混合腔结构，工作频段可跨越Ku和K波段（Ku:14.5～16.5GHz；K:21.4-22.9GHz）；随后，对该网络进行了加工并实测，其副相均方根误差均可满足指标要求，同时，其所有端口驻波均优于1.45，可作为宽带功分网络模块运用于砖式相控阵天线中，该设计也为类似频段，且宽带工作需求的功分网络设计提供了指导。