一种新型的波导腔-微带线型宽带功分网络设计

李鹏程

(中国西南电子技术研究所，四川 成都 610036)

0 引言

功分网络是相控阵雷达中的重要组成部件[1-2]，近年来，随着毫米波的迅速发展，低剖面、宽带化、小型化且易于与微波电路集成的功分网络设计逐渐成为国内外科研机构和学者的研究热点[3-5]。Wilkinson功分器由于其输出各端口之间可以在保证匹配前提下具备高隔离度，而广泛被应用[6-8]。

以单级1分2的等功分单元为例，由于单枝节λ/4微带线型阻抗变换线的限制[9-10]，传统的Wilkinson功分器相对工作带宽理论上很难超过10%。针对相控阵雷达设计指标要求的Ku及K波段(14.5～23 GHz，相对带宽为45.3%)，目前大多数解决方案中，往往采用微带线型[2-4]或基片集成波导结构[11-12](SIW)的双级或者多级阻抗变换结构，此类方案虽可较好解决带宽需求，但是微带线型与SIW结构的微带线部分均裸露于开放空间中，无较好的屏蔽措施，在毫米波频段的射频性能极易受环境影响而不稳定[13-15]，且多级阻抗变化以及SIW结构占用较大的空间[16]，除此以外，上述结构均采用侧馈结构，不利于功分网络与其他模块上下垂直互联[17]。

针对上述设计难点，本文设计了一种基于双级λ/4阻抗变化的Wilkinson单元的1分32路宽带功分网络，该网络采用便于集成的波导腔-微带线混合型传输线设计，端口驻波均优于1.5，幅度和相位误差均方根分别控制在0.5 dB和5°以下。

1 双级宽带Wilkinson功分器设计

传统的单枝节Wilkinson功分器模型，如图1所示。仅有一段阻抗变换枝节，在此基础上中引入了双枝节λ/4阻抗变换线，构成了双级Wilkinson功分器结构，使其满足宽带工作需求，其结构示意图如图2所示。

图1 传统Wilkinson 功分器结构

图2 双级Wilkinson 功分器结构

图2中，l1，l2分别代表的2段λ/4阻抗变换线的长度，就单一枝节而言，其对应谐振频率分别为16 GHz和22 GHz，但单一工作带宽无法突破10%的带宽限制。由于上述2个谐振频率间隔较近，当2段枝节级联到同一功分器时，就可以在14.5～23 GHz的频段范围内形成参差调谐，进而实现了宽带工作。图2所标示Port1，Port2，Port3代表对外互联端口，在工程应用中3个端口均通过标准的SMP射频连接器，与其他模块进行互联(即Z0=50 Ω)，欲使各端口获得好的驻波比，且任意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(图2所示的Z1和Z2)以及吸收电阻阻值(图2所示的R1和R2)的分配符合契比雪夫分布[1]。经计算，取近似值可以得到，第一节传输线特性阻抗Z1=87 Ω，并联电阻阻值R1约为100 Ω，第二节传输线特性阻抗Z2=62 Ω，并联电阻阻值R2约为200 Ω。

2 波导腔-微带线混合型Wilkinson功分器仿真

参照图2，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，仿真模型由2部分组成：

① 波导腔-微带线混合型Wilkinson功分器单元：该部分作用在于实现1分2的等功分，且端口间相互隔离；

② 同轴转接波导腔-微带线混合型传输线部分：该部分将特性阻抗为50 Ω波导腔-微带线混合型传输线结构转换成为特性阻抗为50 Ω同轴传输线结构，从而实现功分网络射频出口的背馈形式，便于与其他模块上下垂直互联及转接。

整体仿真模型及尺寸标注如图3所示，波导腔-微带线总高度h1=2 mm，模型中印制板材料为Arlon AD320A (tm)，相对介电常数为3.2，损耗正切角值为0.003 2，微带介质厚度h2=10 mil(0.254 mm)，介质上方覆铜，覆铜层厚度为0.018 mm；图3(a)中，为了压缩体积尺寸，同时也为集总电阻元件R1，R2提供足够安装空间，2段阻抗变换线采用弯折环状设计。如图3(b)所示，特性阻抗Z1，Z2对应的阻抗变换线长度l1，l2分别为2.75 mm和2 mm，该模型结构腔体材料为铜铝合金。

图3 Wilkinson功分器仿真模型

通过仿真优化得到各端口驻波，如图4所示。该Wilkinson功分器单元的S21和S31的幅度和相位如图5所示。

图4 双级Wilkinson功分器单元各端口仿真驻波系数

图5 双级Wilkinson功分器各端口仿真幅相值

如图4所示，各端口的均可实现良好的匹配效果，其驻波均可以保证在1.26以下；根据图5(a)与图5(b)所示，在频段14.5～17.5 GHz及21～23 GHz范围内，2个输出端口仿真得到的相位曲线图基本重合，其相位一致性均可以保证在0.5°以内；在图5(c)中，仿真得到的2个端口幅度一致性均可控制在0.02 dB以内，指标优良。以此单元功分器形式为基础，级联构成1分32的功分网络模型，仿真拓扑模型如图6所示，通过合理布局及优化，并考虑实际应用中对应的模块间距，则输出端口间距均设定为9 mm。

图6 1分32功分网络拓扑图(1分32等功分)

3 功分网络(1分32)加工及测试结果

根据仿真模型加工如图7所示。结构腔体采用铜铝合金材料，印制板采用热压接技术紧固贴合于腔体槽内，如图7(a)所示。为避免功分网络与相控阵天线其他模块相互耦合影响，在网络的腔体结构件上表面采用铜板封装，如图7(b)所示。

图7 Wilkinson功分网络实物

该设计既可强化功分网络在相控阵天线整机中的散热性能，又便于功分网络模块与其他模块集成，其输入端口为侧馈形式，输出端口均为背馈形式，尺寸大小如图7(b)所示。

利用安捷伦矢量网络分析仪(型号：PNA-X Network Analyzer N5244A，测试频率范围：10 MHz～43.5 GHz)进行测试，测试环境如图8所示。测试功分网络时，除去被测端口外，其他端口均接入50 Ω匹配负载(SMP接口形式)。

图8 功分网络实物测试

测试结果如图9所示，输入输出端口的驻波均控制在1.3以内；在14.5～17.5 GHz和21～23 GHz的频段范围内，其相位均方根误差可以保证在4.7°以内，其幅度均方根误差可控制在0.3 dB以内。

图9 功分网络测试结果

4 结束语

设计了一款基于双级阻抗变换的波导腔-微带线混合型结构Wilkinson功分网络，工作频段可跨越Ku和K波段。该方案从实际工程应用角度出发，利用相控阵天线系统整体构架及其结构工艺设计环节的有利因素，首先利用微波仿真软件进行级联仿真优化，随后采用热压接技术加工波导腔-微带线混合型功分网络，最后对功分网络进行了测试，幅度和相位均方根误差分别控制在0.3 dB和4.7°以内，所有端口驻波均优于1.45。该设计易于加工，便于集成，且具有良好的电磁屏蔽效果，可作为宽带功分网络模块应用于相控阵天线中，该设计也为有类似工作环境限制，且有宽带工作要求的功分网络设计提供了指导。