70MHz-800MHz低频超宽带微带一分四功分器的设计

李 希，李佳霖，刘 阳，王 琨

(陕西华达科技股份有限公司，陕西西安，710119)

1 引言

随着科技水平的快速发展,无线微波通信系统的大量应用,对射频电路的要求也随之越来越高,尤其是现在超宽带微波通信系统全面发展,对超宽带射频器件的要求也越来越高[1]。某射频联调系统提出在70MHz～800MHz的工作频率内,需设计一款满足低驻波、高隔离的低频超宽带一分四功分器。

通常可采用电阻型功分器和微带型功分器。T型结功分器,它具有无耗特性,但是端口间的隔离度差;电阻式功分器,它的网络是有耗的,有一部分的功率损耗,同时各端口间的隔离度也较差;而Wilkinson微带功分器各个功分端口相位特性可保持一致,同时可具有高的信号隔离度,各个端口能同时匹配的优点。因此,选择采用Wilkinson结构的微带功分器来进行本文的设计研究。

2 功分器工作原理

微带线的级数与工作带宽是息息相关的,在确定微带线的级数之前,我们需要引入一个λ/4阻抗变换器。当传输线和负载相连接时,如果二者阻抗不匹配,传输线上将会产生反射波,造成能量的损失,增加信号的衰减,为了使信号能在传输线最大化的输出功率,需尽可能的减少传输线上的反射波,这就需要引入一段匹配线来消除传输线和负载所产生的反射波,因此,采用增加一段传输线的阻值等于特性阻抗的λ/4波长的匹配线来达到其阻抗匹配,减少传输线的衰减,以消除二者之间的反射波。

对于窄频带的功分器,利用单节λ/4阻抗变换器就可满足其带宽的要求,本文需设计的是一款宽带功分器,需要在宽带内实现阻抗的匹配,单节λ/4阻抗变换器无法满足要求,因此需要将λ/4阻抗变换器相互级联,组成一个多节阶梯阻抗变换器,来满足宽带匹配。如图2所示为一个多节1/4波长阶梯阻抗变换器的原理图。

图2 多节1/4波长阶梯阻抗变换器原理图

其中,特性阻抗分别为Z1,Z2,……Zn,采用 Wilkinson功分器结构相互级联,使用各节的传输线长度为λ/4波长,每次往返经过一个λ/4变换器就会产生一个180°的相移,每节之间相互抵消,这样使所有的传输线上反射的叠加得到的结果为零[1]。恰当地选择阶梯阻抗变换器的节数,就能保证足够的带宽匹配。

由上述分析可知,增加阶梯阻抗变换器的节数可拓展功分器的工作带宽,但多节数的引入也会造成传输线插入损耗的增大,因此,应根据设计指标的需求,合理地选择功分器的节数N。

为实现传输线间阻抗匹配和端口之间的信号隔离,需要在设计时引入隔离电阻R[2],利用隔离电阻可以使两分路信号相位为180°,信号反向抵消,达到相邻两端口之间信号隔离的作用。减少各端口信号的影响,使得更多的信号能够输入到下级的输入端。

级数N>3时,可按下列公式首先计算归一化隔离电导gi,然后再由ri = 1/gi计算归一化隔离电阻ri。

(1)

当θ=90°时,偶模阶梯阻抗转换器的驻波比为ρe90°。对切比雪夫响应来讲,当N是奇数时, ρe90°=1;当N是偶数时,ρe90°=ρemax(即为频带内最大驻波比)按照上述公式进行计算,即可得出各节之间的隔离电阻阻值[3]。

3 70MHz～800MHz功分器仿真设计

本文设计了一款低频超宽带微带一分四功分器,需满足以下设计指标:工作频率为70MHz～800MHz;各端口间电压驻波比≤1.5,插入损耗优于-9dB(含理论损耗-6dB),隔离度优于15dB。

根据上述设计指标,设计模型如图3所示,通过计算初步给出该功分器的初始尺寸,选用电路板材的介电常数为3.55,板材厚度为0.508mm,通过理论计算得出,功分器的级数N至少为7级,当选用N=8时经过仿真计算,该功分器的插入损耗较N=7级时大,体积也增大,因此,该功分器选用级数N=7进行设计。经过各端口性能指标仿真结果如图4所示,可以由下表1看出,驻波、插损、隔离各端口指标均满足且优于设计指标要求。

表1 各电性能指标的仿真结果

图3 一分四功分器仿真模型

图4 各端口电性能指标仿真结果

4 功分器的实物加工与测试

通过仿真结果,对微带电路进行加工,设计功分器的腔体和盖板,对各输入输出端口选用SMA连接器,实物如图5所示。

图5 功分器实物图

通过对该功分器测试其端口各电性能指标,测试结果如图6所示和表2 得出,该功分器的总口的驻波比<1.32,分口驻波比<1.16,插入损耗可优于-8.3dB(含理论损耗-6dB),隔离度可优于20dB,测试指标均达到设计指标要求,实物测试结果与仿真结果基本一致,且实物驻波比和隔离度均优于仿真结果。

图6 功分器实物各性能指标测试结果

5 结论

本文采用Wilkinson结构的微带功分器利用多节阻抗变换器相级联的方法在低频段及超宽带探索研究。设计了一种低频超宽带一分四功分器,倍频约为11.5,经实物测试结果表明:在70MHz～800MHz的工作频率范围内,该功分器各端口的电压驻波比<1.35,输出隔离度优于-20dB,插入损耗优于-8.5dB(含理论损耗-6dB),该功分器性能指标均满足设计要求,证明该设计方法的可行性。