一种基于铁氧体的低频超宽带功分器设计

史道玲, 水 炜

(1.安徽新华学院,安徽 合肥 230088;2.安徽网极信息科技有限公司,安徽 合肥 230088)

0 引言

作为一种新型的无线通信技术,超宽带技术(Ultra Wide Band,简称UWB)以其截获率低、隐蔽性高、复杂度低、传输速率高和制作成本低等优良性能,被广泛应用于通信、雷达和精确定位等微波系统中。由于UWB技术对频带的要求较高,所以设计和制作射频宽带器件便成为当下的研究重点和热点。

功率分配器也称功分器,属于无源微波器件,是一种将输入功率按需均分为若干份,并传送给不同覆盖区使用的微波系统中的重要组成部件之一,在相控阵雷达和大功率器件等微波射频电路中有着广泛的应用。功分器常见结构可分为微带线和腔体导波两大种。微带功分器是通过几条微带线和若干电阻组成的系统实现阻抗变换,制作简单,但带宽较小;腔体功分器是通过一条直径由粗到细呈多个阶梯递减的铜杆构成,并实现阻抗的变换,插损小、平衡度好,但制作复杂且隔离度差。微波功分器的主要技术指标包括分配损耗、插入损耗、隔离度、输入输出驻波比、功率容限、频率范围和带内平坦度等,指标值的大小将直接影响整个微波系统的性能。由于UWB技术的迅速发展,使得体积小、插损低、隔离高、覆盖全的功分器需求量不断增加,其设计制作难度也在不断提升。

1 铁氧体射频宽带器件

在微波频段内,超宽带、低频率、小型化的功分器制作是相对比较困难的,而由铁氧体材料构成的射频宽带器件由于弥补了音频与微波间的过渡性频带传输组件匮乏的不足,且自身体积较小,从而为射频器件的宽带化、小型化设计创造有利条件[1]。铁氧体器件与微波铁氧体不同,它属于软磁铁氧体,是互易器件,利用的是标量磁导率。因此,虽然铁氧体器件可达到的最高使用频率比微波铁氧体低,但其可实现的最低使用频率和相对带宽却是微波铁氧体无法达到的,且无需外加磁场。文献[2]介绍了铁氧体射频宽带器件的设计原理及公式应用;文献[3]介绍5 MHz～1.5 GHz范围内铁氧体功分器的设计及测试结果,并提出改进办法;文献[4]介绍30 MHz～3 GHz范围内铁氧体功分器的设计原理和分析。而本文设计的大功率铁氧体一分二功分器要求适用于10 kHz～15 MHz的低频范围,输入功率100 W以内均可正常使用,因此选择的是外径分别为30 mm和38 mm的锰锌铁氧体磁环。

2 传输线变压器的设计

作为电子技术中的基础元件,电子变压器常见的有集中参数变压器、分布参数传输线段变换器和传输线变压器三种。其中就阻抗变换而言,由于集中参数变压器存在分布电容和漏感,分布式传输线段变换器因工作波长限制器件尺寸等原因,二者均难以实现。故本设计采用由传输线环绕磁芯而构成的传输线变压器,不仅保留集中参数变压器相对带宽大、尺寸小的特点,又保持了分布参数传输线段变换器可工作于高频区域的优点[5]。

为实现需要的阻抗要求,设计中采用的是铜制漆包线环绕磁环的结构,初级采用平衡传输线(双线并绕),次级采用耦合传输线(三线并绕)。图1为阻抗比2∶1的传输线变压器,图中单线AA′、BB′和CC′扭绞成三线环绕在磁环上,A′为输入端,C′为输出端,C端接地,变压器漏磁通近似为零,漏感可忽略即变压器性能仅有传输线的特性阻抗决定。图2为采用传输线变压器形式的低频超宽带一分二功分器电路设计,其中A′为输入功率输入端,A″和B″为输出功率输出端,单线AA′和BB′双线并绕若干圈在磁环上构成阻抗比为1∶4的传输线变压器,R为隔离电阻。

当功分器设计中所使用的磁芯确定之后,由于本设计实现的是大功率设计,因此变换器的传输线绕组匝数仅由并联电感的大小决定,根据公式可得

(1)

式中,Lp为并联电感,A为磁环截面积,d为磁环平均直径,μ′为磁环磁导率。由公式计算出环绕在磁环上的匝数,但需要注意的是,在实际制作时计算出的匝数未必就是传输线绕在磁芯上的匝数,应根据具体的变换电路而定。

3 一分二超宽带功分器的加工与实测

功分器的设计涉及插损、隔离度,以及相位/幅度不平衡度等重要指标,其中插损是相对较难控制的一项,因其受铁氧体磁环的尺寸、磁导率和绕圈匝数限制，而通过在两个输出端选择合适的隔离电阻可相应提高输出端之间的隔离度,利用电路的对称性、调节导线的长度来获取良好的相位/幅度不平衡度。通常功分器的带宽越宽则损耗越大,但是若对称性和隔离度越好则插损越小,因此选取适合的隔离电阻就显得尤为重要[6]。

本设计需要实现的是10 kHz～15 MHz频率范围内,驻波比小于1.18、隔离度大于20 dB、损耗为0.2 dB的设计,因此可根据公式(2)、公式(3)估算出该功分器中的阻抗变换单元——铁氧体磁环的相关参数,如根据估算的磁导率、磁环直径和高度选择合适的铁氧体磁环,并根据实际电路微调实际的传输线环绕匝数。

(2)

(3)

式中,I为隔离度,Lp为并联电感,fmin为频率下限,T为输出端传输系数。

低频超宽带功分器的加工需先采用Protel软件设计材质为FR4的印制电路板,厚度为2 mm, 面积为119×89 mm2,双面镀金并打金属化通孔,表面微带线的铜厚为2盎司,其PCB电路板图如图3所示。

焊接实物电路时,先将选定的传输线按计算的匝数分别环绕在不同的铁氧体磁环上,连同选定的隔离电阻一起焊接在PCB板对应的位置上,再将PCB板放置于设计好的腔体内,通过M2螺钉固定于腔体中。该功分器实物电路如图4所示。

图5 二功分器关键指标实测与频率关系曲线图Fig.5 The curve of the relationship between the measured key indicators and the frequency of the two power divider

借助网络矢量分析仪对设计的低频超宽带大功率功分器进行实测,可得到如图5所示的幅度不平衡度、回波损耗和隔离度等关键指标曲线图。图中,S21和S31为该二功分器输出端的插入损耗。由图5可见,该功分器具有良好的幅相平衡型;S11、S22和S33为输入端口及输出端口的回波损耗,根据驻波比与回波损耗间的公式换算可见,该二功分器的公共端口驻波比相较于输出端口的驻波比而言略差一些,在20 kHz～1 MHz频率范围内维持在1.14(回波损耗为-23.69 dB),5 MHz～15 MHz达到1.15～1.18,而输出端的驻波比则基本维持在1.09(回波损耗为-27.32 dB),反射率较低,电波几乎无反射,近似于理想状态;S32为该功分器隔离度实测曲线。 由图5可见,该二功分器在10 kHz频率段隔离度大于20 dB,而在200 kHz～8 MHz的频率范围内,其隔离度接近于40 dB,实现了高隔离度的设计要求。因此,本二功分器的设计实现低频率、超带宽、低损耗及高隔离的设计要求,可以较好地应用于超宽带通信系统中,尤其是短波通信系统。

4 结束语

本文通过公式计算、合理选择并实现了一种基于铁氧体的低频超宽带功分器设计,该功分器通过测试结果显示,在整个宽频带范围内相关技术指标均达到指定的设计要求,并能够较好地应用于各类超宽带技术的场景中。