基于基片集成同轴线的6～18 GHz功分器设计

倪大海，陈 坤

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏 扬州 225101)

0 引 言

宽带技术因为传输速率高、隐蔽性高以及空间容量大等优点，在无线通信和雷达系统中得到了广泛的应用。功分器将输入功率按一定比例进行分配，也可以逆向作为功率合成器，是最常用的微波无源器件之一。特别地，在相控阵雷达中，在接收时，功分器将接收功率按比例合成到变频端；发射时，功分器将发射功率按照比例分配给各天线端。随着我国军事技术的快速发展，对系统和器件的小型化、超宽带化以及易于集成提出了更高的要求。因此，小型化、超宽带以及易于电路集成的功分器具有很重要的研究意义。

传统的微带结构的Wilkinson功分器虽然结构简单，但是不利于电路集成，且由于其裸露在空气中，使其电磁兼容能力较弱。相比微带线，基片集成同轴线结构可传输TEM模的电磁波，具有较小的插损、更好的抗干扰能力以及更大的功率容量。同时，基片集成同轴线结构可以应用于多层板中，与其他微波电路以及数字逻辑电路集成，利于小型化设计。本文设计了一款基片集成同轴线功分器，仅使用了2节功分器结构便实现了6～18 GHz带宽，面积小；隔离电阻采用薄膜电阻，利于集成；端口处采用基片集成同轴线-微带过渡结构，便于安装和测试；利用该二功分器设计出的一分八功分器应用在砖块式TR组件中，实现了控制板和射频板多层设计，节省了电路空间。

1 基片集成同轴线Wilkinson功分器结构

1.1 Wilkinson功分器结构[1]

二等分Wilkinson功分器的原型是T型功分器，由于T型功分器是一个三端口网络，对于任何一个三端口而言，不能同时满足网络无耗、端口互异以及各端口匹配这3个条件。Wilkinson功分器在T型功分器的输出端引入电阻R，如图1所示，从而使得各个端口完全匹配，且输出端口之间具有一定的隔离。

图1 Wilkinson功分器结构

由于该功分器结构与工作频段直接相关，单节的功分器工作频带较窄。通过多节阻抗变化级联的形式，各节传输线的长度仍为λ/4，各节阻抗变换产生的反射信号在各节之间相互抵消，从而展宽工作带宽，达到宽带匹配的目的。理论分析可知随着节数增多，工作带宽越宽，引入的带内损耗也会越大，所以应根据工作带宽，合理选择功分器节数。本文研究的工作带宽为6～18 GHz，选择节数为2节。

1.2 基片集成同轴线结构[2-3]

基片集成同轴线(SICL)是一种平面的同轴线结构，在带状线两侧各自引入一列金属化通孔即可形成SICL结构，引入的金属化通孔类似封闭的结构，可以防止信号泄露以及与其他电路之间的串扰。图2为利用多层PCB工艺实现的SICL示意图：它由3层金属、2层介质以及两侧的金属化通孔组成，中间的金属作为内导体，外导体由上下2层金属以及两侧的金属通孔组成。本文中，上下2层介质为0.254 mm厚的CLTE-XT板(ε=2.94，tanδ=0.001 2@10 GHz)，半固化板采用0.05 mm的Taconic RF-30(ε=3，tanδ=0.003 8@10 GHz)，金属化通孔之间的间距为2 mm，金属化通孔的直径为0.4 mm。

图2 SICL示意图

由于SICL的介质材料和高度h已经确定，SICL的特征阻抗仅能由内导体wm和外导体的宽度wc决定。图3展示了不同的内外导体宽度下，SICL特征阻抗的变化，SICL的特征阻抗主要由内导体宽度wm决定，与外导体宽度wc无关。因此，在条件允许的情况，尽量选择较小的外导体宽度，这样既可以减小SICL面积，又可以提高由上下层金属和两侧金属化通孔所构成的介质集成波导(SIW)的截止频率。

1.3 SICL小型化超宽带功分器

根据上面的分析，SICL小型化功分器的结构如图4所示，为了实现6～18 GHz工作带宽以及小型化的要求，选用功分器节数为2节，相比传统微带结构的3节要少一节，这得益于SICL结构相比微带结构信号泄露得更少，品质因数Q更高。

图4 SICL型功分器

2 6～18 GHz基片集成同轴线功分器设计

2.1 两节功分器的参数设计[4]

由上面1.1的分析，图4的等效电路如图5所示，为对称结构，因此可以利用基偶模激励分析方法进行理论分析，如图6所示。

图5 SICL功分器等效电路

图6 SICL功分器等效电路奇偶模等效电路

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

2.2 仿真优化

2.2.1 SICL小型化功分器的仿真

为了验证上面的理论设计结果，利用HFSS软件对建立理想状态下功分器模型进行仿真，通过对各参数进行优化，得到符合指标要求的电路参数。最终仿真结果如图7所示，3个端口的驻波均<-16 dB，带内插损<0.3 dB。

图7 功分器的优化仿真结果

其中，隔离度会随着隔离电阻阻值的升高而增加，但是对应的带宽会收窄，如图8所示，选择合适的隔离阻值，可以在获得较好隔离度的同时，有着不错的插损。最终选择R1=90 Ω，R2=195 Ω，全频段隔离>16 dB，7～18 GHz频段隔离>20 dB。

图8 隔离电阻阻值对隔离度的影响

2.2.2 SICL-微带过渡[5]

为了方便SICL小型化功分器进行平面电路连接，比如与单片微波集成电路(MMIC)芯片键合，使得该功分器具有更好的应用场景，需要将3个端口过渡到微带。过渡部分会引起电场突变，从而影响过渡结构的传输特性，为了将此不连续型尽量减小，设计了过渡枝节，如图9所示。

图9 SICL-MLIN过渡结构

w0设计得要比w2要小，这样可以有效地减小电场向两侧泄露，实现电场的连续性，进而达到匹配的目的。进过HFSS仿真优化后，w0=0.32 mm，l0=0.88 mm。

将最终优化仿真结果对应到图5中的SICL等效电路中参数，形成表1。相比传统的6～18 GHz微带功分器，SICL功分器的面积要小50%以上。

表1 SICL功分器参数表

2.3 一分八功分器

为了满足6～18 GHz TR组件中八通道的使用需求，进一步将该小型化功分器进行组合成一分八功分器，如图8所示。全频段驻波<-13 dB，插损<1.2 dB。

图10 一分八SICL小型化功分器

2.4 加工及测试

由于采用了SICL结构，加工同普通的微带功分器有所区别，即隔离电阻需要进行埋置，此处采用薄膜电阻，在印制板加工时进行埋置。如图11所示，最终的电路采用了CLTE-XT和FR4混压的方式，FR4在上层，实现组件的逻辑控制及电源管理；CLTE-XT在底层，实现射频信号的传输，大大减少了整个电路的布线空间。

图11 印制板实物图

最终的测试结果如图12所示，由于电路具有完美的对称性，这里只给出端口1和2的测试情况，输入驻波<-11 dB，插损<2.4 dB，与仿真结果较为接近。

图12 测试结果

3 结束语

本文提出了一种基于SICL结构的Wilkinson小型化超宽带功分器，采用奇偶模分析方法进行理论研究和计算，确定初值后再利用HFSS仿真软件进行优化，得到了小型化的一分二功分器。为了方便该功分器与平面电路的连接，优化设计了一种SICL-微带的过渡结构。最后利用该功分器进行级联，设计出了一分八功分器，并与逻辑控制和电源管理印制板混压，达到减少电路布线空间的目的。通过将SICL结构应用于射频、逻辑控制以及电源管理电路混合设计，验证了其可实现性和有效性，该设计思路还可推广到其它应用场景，有利于提高微波毫米波系统的小型化以及集成化。