基于薄膜電路工藝的W波段功分器設計

楊志群, 葛楠, 尹震峰, 石磊

（1.92941部隊92分隊,遼寧 葫蘆島 125000；2.上海無線電設備研究所,上海 200090）

基于薄膜電路工藝的W波段功分器設計

楊志群1, 葛楠2, 尹震峰2, 石磊2

（1.92941部隊92分隊,遼寧 葫蘆島 125000；2.上海無線電設備研究所,上海 200090）

針對傳統威爾金森功分器在毫米波頻段下兩路輸出支路幅相一致性差的問題,提出了一種基于薄膜電路工藝的新型威爾金森功分器設計。通過減少兩路輸出支路之間耦合和考慮隔離電阻的傳輸線效應,改善了其幅相一致性,拓寬了在毫米波和更高頻下的應用。設計結果表明,該功分器在W波段具有插入損耗低、幅相一致性好、駐波小等優點,適合用于毫米波電路小型化設計和功率合成。

電路工藝；新型威爾金森功分器；毫米波

0 引言

在當前復雜的微波收發系統中,通常需要將微波信號分成幾路,分別用于各個通道,對于功分信號的幅相一致性、隔離度等有越來越高的要求。在毫米波以及更高頻段下,傳統威爾金森功分器存在兩路輸出端之間耦合嚴重,并且隔離電阻尺寸在毫米波高頻下無法忽略,使傳統威爾金森功分器的電路性能和應用受到局限。常規微帶功分器設計中,對輸出支路之間的耦合效應和隔離電阻的傳輸線效應沒有統一考慮,從而導致了在更高頻段下的幅相一致性差的問題。

針對上述問題,本文提出了一種基于薄膜電路的新型威爾金森功分器,該設計通過減少兩路輸出支路之間耦合和考慮隔離電阻的傳輸線效應[1],較好地解決了傳統威爾金森功分器在毫米波頻段下幅相一致性差的問題。

1 原理分析

傳統威爾金森功分器的設計忽略了隔離電阻在毫米波頻段下的傳輸線效應,并且兩路輸出端在毫米波頻段下間距小,導致嚴重耦合,電路原理模型如圖1（a）所示。新型的威爾金森功分器模型考慮了隔離電阻在毫米波下的傳輸線效應,并在兩路輸出端和理想電阻之間增加了一段額外的傳輸線,該段傳輸線能夠增加兩臂之間的距離,從而減少兩臂之間的耦合,降低隔離電阻分布參數的影響,電路原理模型如圖1（b）所示[2]。

圖1 傳統與新型威爾金森功分器對比圖

威爾金森功分器的特性分析基于電路的對稱性,進行偶模和奇模分析,如圖2所示。ZINA、ZINB分為從端口2向左、向下看的等效阻抗；對稱位置的阻值為R隔離電阻分解為兩個阻值為R/2的電阻串聯,電路中的所有阻抗均歸一化,其中將兩臂的阻抗和電長度設為Z01和θ1,支路的電長度和特性阻抗為Z02和θ2,隔離電阻歸一化阻值為r。

圖2 阻抗歸一化后的對稱電路圖

1.1 偶模分析

在偶模激勵下,對稱位置激勵的信號具有相同的幅度和相位,從而對稱位置等效于開路,因此其隔離電阻可以忽略不計,該電路可以等效為簡單的雙端口匹配網絡。從端口2看入可以得出：

由并聯阻抗與端口2的阻抗匹配得

式（3）利用分離變量法可分解為實部和虛部兩個等式,其中實部簡化后得

式（3）虛部的等式簡化后得

由于是無源匹配網絡,所以電路是互易的,因此從端口1分析也能獲得相同的結果。

1.2 奇模分析

在奇模激勵下,對稱位置激勵的信號具有相同的幅度,但是相位相反,從而對稱位置等效于接地短路。對于這種激勵模式,端口2是匹配的,全部功率都傳送到r/2電阻上,而沒有進入端口1。采用和偶模分析相同方法可得

上述公式是一個復數等式,利用分離變量法得到其實部可以簡化為

其虛部可以簡化為

通過式（7）和式（8）可得

將式（5）和式（9）代入式（4）,簡化后可得

因此式（4）可以簡化為

上式意味著θ1和θ2正交。現在能夠獲得用五個未知數和四個歸一化公式來描述該電路：

在上述系統變量中,為了電路的可實現性,θ2必須是實數,同時r必須是正數。從四個公式的約束關系可以得出r∈（0,2],因此Z01,Z02∈（0,],θ2∈[nπ,nπ+（π/4）],其中n為整數。如果θ2等于0,則為傳統威爾金森功分器。

通過以上理論分析,從式（12）到式（15）,可以進行新型功分器的阻抗、電長度和相位等的計算[3]。

2 仿真設計

本功分器設計選用厚度為0.254 mm、介電常數為9.6的99.6%Al2O3作為基片材料,相比其他材料,其損耗低、強度高、熱導率高。根據前文理論分析,在W波段下設計了的一種改進型功分器,其模型如圖3所示。

圖3 W波段功分器設計模型

圖中端口1為輸入端口,端口2和端口3為輸出端口,在隔離電阻與雙臂之間增加了一段二分之一波長的微帶線,即不影響隔離電阻,又可以使兩路輸出支路在一條直線上,從而減小了兩路輸出端之間的耦合度,提高兩路輸出信號的幅相一致性。采用HFSS對其進行三維電磁仿真,仿真結果如圖4所示。

圖4 W波段功分器S參數仿真結果圖

由圖4仿真結果可知,在75 GHz～78 GHz范圍內,兩路功率不平衡度小于0.15 dB,插入損耗小于3.7 dB,在中心頻率處相位相差0.5°,輸入反射系數大于20 dB,端口隔離度大于10 dB。

3 實驗驗證

基于上述仿真設計結果,對該功分器進行了實物加工和測試,其實物照片如圖5所示,整個電路外形尺寸為2.5 mm×3 mm,將功分器裝入腔體,通過微帶-波導轉換器與網絡分析儀端口相連,其插入損耗與隔離度測試結果如表1所示。

圖5 W波段功分器加工實物圖

從測試結果看,在3 GHz帶寬內,該設計具有插入損耗小,端口隔離度高等特點。該設計已成功應用于W波段毫米波收發組件,并且該組件各項測試指標滿足要求并已驗收,證明了這種新型結構的正確性和合理性[4]。

4 結論

由功分器的實物測試結果顯示,電路設計中通過減少輸出支路之間的耦合效應,并充分考慮隔離電阻的傳輸線效應,有效改善了功分器的幅相一致性,但是由于在輸出支路和隔離電阻之間引入了二分之一波長的傳輸線,導致了工作帶寬較窄,有待后續繼續研究改進。

表1 插入損耗與隔離度測試值

[1] Dimitrios Antsos,Rick Crist,LinSukamto.A Novel Wilkinson Power Divider Eith Predictable Performance at K and Ka-band[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,1994.

[2] XU Hong-jie,ZH ANG Yong-hong,FAN Yong. Ka-band Wilkinson Power Divider Based on Chip Resistor[C].2007 International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology.Builin：[s.n.],2007：1-4.

[3] B.Boukari,D.Hammou,E.Moldovan.NHMICs on Ceramic Substrate for Advanced Millimeter Wave Systems[J].IMS,2009.

[4] Stephen Horst,Ramanan Bairavasubramanian, Manos M.Tentzeris.Modified Wilkinson Power Dividers for Millimeter-Wave Integrated Circuits[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2007,55（11）.

Design of a Millimeter-wave Power Divider Based on Thin-film Circuit Process

YANG Zhi-qun1, GE Nan2, YIN Zhen-feng2, SHI Lei2
（1.Unit 92 of Army 92941,Huludao Liaoning 125000；2.Shanghai Radio Equipment Research Instrument,Shanghai 200090,China）

The traditional millimeter-wave Wilkinson Power divider has a bad performance on the coherence of phase and amplitude,in order to overcome the problem,this paper presents a new millimeter-wave Wilkinson power divider with thin-film technique.By reducing the coupling of two output channel and considering the trasmission line effection of the isolate resistance,we can improve the phase and amplitude coherence of the power divider, therewith extensive itˋs application in millimeter-wave and even high frequecy.The design result shows that this divider has the features of low insertion loss,good coherence of phase and amplitude,low VSWR and so on,which makes it fit for the miniaturization of millimeter-wave circuit and power combine.

circuit process；divider；millimeter wave

TN626

A

1671-0576（2014）02-0052-05

2014-01-15

楊志群（1964-）,男,高級工程師,主要從事導彈引信試驗技術研究。