一種叉指型超寬帶多路功分器的設(shè)計(jì)和研究

摘 要： 提出了一款一分三路的超寬帶微帶功分器，適用于通信頻段3.1～10.7 GHz。為增強(qiáng)耦合強(qiáng)度，該功分器采用了叉指型微帶三線耦合結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，在尺寸接近的情況下，叉指型耦合可以獲得更大的帶寬。利用電磁仿真軟件分析了該功分器性能，并給出了仿真和實(shí)物加工圖，有效地驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方法。整個(gè)功分器的面積為32.7 mm×30 mm，由于采用表面印刷結(jié)構(gòu)，使得功分器成本低廉、易于批量生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞： 超寬帶功分器； 叉指型微帶三線耦合結(jié)構(gòu)； 電磁仿真軟件； 印刷結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)： TN92?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2013）07?0080?03

0 引 言

近年來，微波技術(shù)的不斷發(fā)展使得毫米波頻段的開發(fā)受到越來越多的關(guān)注。在毫米波通信、雷達(dá)、電子對抗系統(tǒng)中，無源微波器件已得到廣泛的應(yīng)用。特別是其小型化、低剖面、易于和微波電路集成的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)獲得國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注[1?2]。自2002年美國聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）將3.1～10.6 GHz之間的頻段解禁并允許將其應(yīng)用于超寬帶設(shè)備中[3]以來，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界呈現(xiàn)了一股超寬帶（Ultra?wideband，UWB）技術(shù)的研究熱潮。功分器作為超寬帶系統(tǒng)中的核心器件，其超寬帶特性的研究也成為學(xué)者們關(guān)注的焦點(diǎn)。早在1960年，Wilkinson就提出了等幅同相輸出的功分器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該方法目前已經(jīng)在微波電路設(shè)計(jì)中得到了很好的應(yīng)用。近年來，一些學(xué)者通過各種方式對傳統(tǒng)Wilkinson功分器設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)[4]。實(shí)際應(yīng)用顯示，一分二的功分器已經(jīng)滿足不了當(dāng)前的需求，多路功分器的研究顯得格外重要。

本文根據(jù)Wilkinson功分器理論提出了一類應(yīng)用微帶三線耦合結(jié)構(gòu)的平面超寬帶功分器。利用叉指型耦合實(shí)現(xiàn)寬帶特性，該功分器具有設(shè)計(jì)簡單，結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)勢。通過仿真分析可以看出，該功分器有很好的阻抗特性、較高的隔離度和低的傳輸損耗，同時(shí)該功分器有較好的相位特性。

1 傳統(tǒng)Wilkinson功分器原理

當(dāng)輸出端口都匹配時(shí)，傳統(tǒng)Wilkinson功分器具有無耗特性，只是耗散了反射功率。因此，Wilkinson功分器具有隔離度高、功分端口相位一致性好、結(jié)構(gòu)簡單、能夠?qū)崿F(xiàn)各個(gè)端口同時(shí)匹配的優(yōu)點(diǎn)。

傳統(tǒng)的兩分Wilkinson功分器是由一對1/4波長特性阻抗為[Zr]=[2Z0]的傳輸線構(gòu)成，Z0=50 [Ω]是功分器的匹配阻抗。單枝節(jié)Wilkinson功分器可用的帶寬是[fHfL=1.44]，駐波比小于1.22，插損小于-20 dB。Wilkinson功分器中電阻在提供輸出端口匹配和隔離方面起了關(guān)鍵作用[5?6]。

是用特征阻抗[Z0]歸一化所有阻抗后重新畫出的電路圖，并在輸出端口接電壓源

等效傳輸線電路

在歸一化和對稱形式下的Wilkinson功分器電路

對于Wilkinson功分器，可以確立一下[S]參量：

[S11=0 （在端口1，Zin=1）]

[S22=S33=0 （端口2和端口3匹配）]

[S12=S21=Ve1+Vo1Ve2+Vo2=-j2 （對稱，由于互易性）]

[S13=S31=-j2] （端口2和端口3對稱）

[S23=S32=0] （由于在剖分下的短路或開路）

當(dāng)終端接匹配負(fù)載時(shí)全部端口都匹配，前面的S12方程成立。當(dāng)功分器在端口1驅(qū)動(dòng)并且輸出匹配時(shí)，電阻不消耗功率。所以，當(dāng)輸出都匹配時(shí)功分器是無耗的，電阻只消耗從端口2或端口3反射的功率。因?yàn)镾23=S32=0，所以端口2和端口3是隔離的[5]。

2 三線耦合諧振單元分析

本文設(shè)計(jì)的超寬帶一分多路功分器的微帶叉指型三線耦合結(jié)構(gòu)是由3段長度為[14]波長的微帶線構(gòu)成，每段微帶線的寬度和線間距分別為W2和W3，如圖3所示。三線耦合單元電壓與電流的分布如圖4所示，可以看出三線耦合諧振器單元能夠視作一個(gè)六端口網(wǎng)絡(luò)。圖5所示為三線耦合單元的等效電路圖[7?9]。

文中采用電磁仿真軟件HFSS 11.0對該功分器進(jìn)行仿真，從而進(jìn)一步研究該諧振單元的頻率特性。仿真中微帶線的介質(zhì)材料厚度為1.0 mm，相對介電常數(shù)是2.2，尺寸為L1= 7.9 mm， W0= 3.0 mm，W1= 0.15 mm， W2=0.2 mm， W3=0.2 mm，仿真結(jié)果如圖6所示，可以看出三線耦合諧振器具有良好的帶通特性[8?9]。

3 功分器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本文所設(shè)計(jì)的一分三等幅同相功分器結(jié)構(gòu)如圖7所示，表1表示出了功分器的各幾何參數(shù)。這類超寬帶功分器由兩部分組成，平行耦合線和缺陷地結(jié)構(gòu)。[λg4]耦合線可以實(shí)現(xiàn)帶通特性。采用三線耦合叉指結(jié)構(gòu)代替雙線耦合來增加耦合強(qiáng)度，從而獲得更大的帶寬。

三線耦合諧振器單元結(jié)構(gòu)圖

三線耦合諧振器單元電壓與電流分布圖

三線耦合諧振器單元等效電路圖

仿真的三線耦合諧振器單元的S參數(shù)

功分器的結(jié)構(gòu)圖

本文采用Ansoft公司的電磁計(jì)算軟件HFSS 11.0對功分器進(jìn)行了仿真，分別為功分器的S參數(shù)圖和隔離度圖，可以看到，該功分器在3.4～10.7 GHz之間實(shí)現(xiàn)了良好的寬帶特性；2、3端口和2、4端口的隔離度低于-13 dB；輸出幅度不平度小于0.3 dB；相位一致度在1.5°以內(nèi)。

功分器幾何尺寸

[標(biāo)號(hào)＼長度 /mm＼標(biāo)號(hào)＼長度 /mm＼W0＼3＼L1＼5.725＼W1＼0.75＼L2＼4.2＼W2＼0.75＼LS＼8.5＼WS＼0.55＼LS1＼2.35＼WS1＼2.4＼R＼3.475＼WS2＼0.9＼Wgap1＼0.165＼]

功分器的S參數(shù)圖

功分器的隔離度

本文在仿真設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上加工了該一分三路等幅同相功分器。功分器的介質(zhì)板采用介質(zhì)常數(shù)為2.2、厚度為1 mm的介質(zhì)基板，

結(jié) 語

本文提出了一類結(jié)合缺陷地結(jié)構(gòu)的一分三路等幅同相超寬帶功分器。該功分器利用三線耦合叉指型結(jié)構(gòu)的傳輸線實(shí)現(xiàn)寬帶特性，在超寬帶內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)更好的匹配電路。功率在輸出端口等分、插入損耗小、較好的回波損耗、輸出端口幅度相位一致。在電路結(jié)構(gòu)簡單的條件下，實(shí)現(xiàn)了超寬帶電路。

功分器的實(shí)物圖

參考文獻(xiàn)

[1] Federal Communications Commission. Revision of part 15 of the commission′s rules regarding ultra?wide band transmission systems [R]. Washington， D.C： Federal Communications Commission， 2002： 98?153.

[2] ROSLONIEC S. Three?port hybrid power dividers terminated incompex frequency dependent impedances [J]. IEEE Trans. on Microw. Theory Tech.， 1996， 44（8）： 1490?1493.

[3] CHEN F C， CHEW W C. Time?domain ultra?wideband microwave imaging radar system [J]. Journal of Electromagnetic Waves and Applications， 2003 （17）： 313?331.

[4] 黃森，謝小強(qiáng)，延波.18～40 GHz寬帶Wilkinson功分器設(shè)計(jì)[C]//2011年全國微波毫米波會(huì)議論文集（上冊）.上海：中國電子學(xué)會(huì)微波分會(huì)，2011：150?153.

[5] [美] POZAR David M.微波工程[M].3版.北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[6] 賁倩倩，賈建華.多路多節(jié)功分器的設(shè)計(jì)與傳輸線問題的研究[J].電子技術(shù)，2008（9）：58?61.

[7] KUO Jen?Tsai， SHIH E， LEE Wei?Cheng. Design of bandpass filters with parallel three?line coupled microstrips [C]// Proceedings of 2001 APMC. [S.l.]： APMC， 2001： 157?160.

[8] 魏峰，黃丘林，史小衛(wèi)，等.一種新型超寬帶帶通濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微波學(xué)報(bào)，2010，26（3）：48?51.

[9] WEI F， CHEN P， CHEN L， et al. Design of a compact UWB bandpass filter with defected ground Structure [J]. J. of Electromagn. Waves and Appl.， 2008， 22： 1783?1790.