一种小型化毫米波三等分功分器的设计

2018-05-04林元根徐海洋中国船舶重工集团公司第七二三研究所江苏扬州225101

舰船电子对抗 2018年1期

林元根，徐海洋(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

现代的毫米波系统中，对固态电路的输出功率要求越来越高，提高输出功率的基本技术就是功率合成，即通过组合若干个相干工作单元或者通过叠加多个分离电路功率的方法，获取更大的输出功率。目前,毫米波功率合成技术大致可以划分为4类：芯片级合成、电路合成、空间合成以及多级合成的方法[1]。

功率分配器是功率合成电路的重要组成部分，它的作用是将输入功率分成相等或不相等的几路功率输出的一种多端口微波网络。在微波系统中, 需要将发射功率按一定的比例分配到各发射单元, 如相控阵雷达等, 因此功分器在微波系统中有着广泛的应用。它的性能好坏直接影响到整个系统能量的分配、合成效率。

Wilkinson 功分器是一种在X 波段以下技术成熟且运用较为广泛的功分器，在毫米波以及更高频段，毫米波功分器的设计往往面临如下挑战：(1)电阻尺寸位置极为敏感；(2)功分器枝节的不连续性会导致性能严重恶化；(3)线宽太细导致无法加工等。本文通过巧妙过渡设计、选择合适的电阻尺寸及对电阻的位置进行综合优化等手段设计了一款性能优良的可加工的毫米波直接三等分功分的功分器。

1 原理及设计

设计功分器最常用的方法是采用树状结构，三等分功分器一般有3种设计方法：

第1种先把输入信号分成2路, 然后每路又分成2路。这种结构只有一种二等分功分器, 设计和加工均较方便, 但分路数需满足N=2M(M=1,2，…), 如要分成3路, 则必须先分成4路, 其中一路用匹配负载吸收。这种方法不但白白消耗了一路能量, 而且由于其它路负载与吸收支路匹配负载并不完全一样, 而其平分度也不是很理想[2]。

第2种是可以先将输入P0按1∶2不等分，然后再将初次分配后功率为2/3P0的一支再二等分，结构如图1所示。

图1 三等分功分器结构示意图

这样既可以做到三等分功率, 又可以避免不必要的吸收。但在电路中, 实现满意的功串分配并非容易，而且三等分功分器其中一个支路线宽过细导致加工困难；此外这种三等分功分器占用尺寸较大，无法实现小型化。

第3种采用下面介绍的对称结构直接三等分功分器设计, 可以克服上述困难。因而它插损小, 各端口匹配, 各路间互相隔离度好, 不平分度小。其结构如图2所示。

图2 三等分功分器结构示意图

采用π形等效电路方法建立对称三功分器的电路拓扑如图3所示[3-4]。1口为输入口，5、6、7口为输出口。Y01，Y02分别表示信号源及负载导纳。Y10，Y20分别表示第1节和第2节传输线特性导纳，G1，G2分别表示第1节和第2节隔离电导。

图3 三等分功分器等效电路

当把均匀传输线等效为π型等效电路时，在中心频率处的串联导纳：

Yi串=-jYi0

(1)

并联导纳：

Yi并=jYi0

(2)

对图1的等效电路可列出其节点电流方程为：

Y01V1+jY10(V2+V3+V4)=0

(3)

jY10V1+G1(V2-V3)+jY20V7=0

(4)

jY10V1-G1(V2-2V3+V4)+jY20V6=0

(5)

jY10V1-G1(V3-V4)+jY20V5=0

(6)

jY20V2-G2(V6-V7)=I7

(7)

jY20V3-G2V5+(2G2+Y02)V6-G2V7=0

(8)

jY20V4-(G2+Y02)V5-G2V6=0

(9)

设从7口加入信号电流电压，由5口和6口对7口完全隔离，则：

V5=V6=0

(10)

由7口对Y02完全匹配，解上述方程可得：

G1=4Y102/Y01

(11)

G2=Y02/4

(12)

Y01/Y02=3(Y10/Y20)2

(13)

式(13)给出1口对Y01完全匹配的条件。

从5口、6口输入，由于电路的对称性也可以得到各输出口对Y02匹配及各路间完全隔离和1口对Y01完全匹配的相同的结果。

式(11)～(13)中, 传输线节特性导纳Y10、Y20及隔离电导G1、G2可有4个未知数，因此需要一个附加条件，这可以用以下方法分析来确定。

在图3中, 当1口加入信号时，由于各路之间完全隔离，各支路对应节点上电压相等，各电导上没有电流，故分析1口匹配条件时，Y02经过两节1/4波长又均匀传输导纳变换器变换到口，可要求Y10、Y20满足最平坦型传输线导纳变换器的特性。通过对比系数方法，可以确定：

Y10=Y02/B3/4

(14)

Y20=Y02/B1/4

(15)

式中：B=3Y02/Y01。

使得在中心频串处实现1口上完全匹配，反射系数为零。

2 建模及仿真

根据上述设计，利用HFSS仿真软件，首先通过理论值计算出输入和输出端口的阻抗值，然后计算出各隔离电阻的阻值。根据阻抗值计算出线宽，输出端的枝节长度选择1/4波长长度的整数倍，最后再用HFSS进行综合优化。采用带状线结构，上下层基片的厚度均为0.254 mm，基片材料为Roger 6002，介电常数为2.94。

图4 三等分功分器的仿真模型

功分器尺寸为18 mm×7mm，从设计可看出该功分器实现了小型化。输入和输出端口均为50 Ω，其线宽0.31 mm，端口可和微波器件或射频连接器相连。为防止功分器的各输出端口线宽过窄，从而导致无法工程加工，在功分前将输入端口的线宽渐变为0.85 mm，这样可确保枝节输出端具有较宽的线宽，最终优化后的功分枝节的线宽为0.2 mm。为实现输出端50 Ω的输出，再对功分枝节后的线宽采用了连续渐变，使其0.2 mm过段变换到0.31 mm。最后再对两臂之间的间隙进行选择和优化，从而选择合适的间隙，最终优化的间隙为0.6 mm。隔离电阻选择微波薄膜电阻，型号为0603或0402的薄膜电阻到毫米波频段阻抗就变了，而型号为0101不容易焊接，故选择薄膜电阻型号为R0201B500J，R1为32.5 Ω，R2为100 Ω，两臂间隙为0.6 mm。

从图5的三等分功分器的表面电流分布图可以看出,输入端口电流被平分至输出端口，由此可以初步判断功分器性能的好坏。