一分六功分器的設(shè)計與實現(xiàn)

于洋

（甘肅長風(fēng)電子科技有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州730070）

一分六功分器的設(shè)計與實現(xiàn)

于洋

（甘肅長風(fēng)電子科技有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州730070）

設(shè)計制作了一個ku頻段一分六功分器，進行理論模型計算后，利用仿真軟件進行優(yōu)化，加工電路板和金屬殼體，使用改進的安裝工藝，最終得到實物，測試其性能，驗證了整個設(shè)計與實現(xiàn)過程的可行性。

電磁場與微波；功分器；高隔離度；帶狀線

功分器是一種常見的無源微波器件，在雷達、移動通信、衛(wèi)星通信、醫(yī)療設(shè)備和微波測量儀器等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。寬頻器件的工作能力在適用性和通用性上的突出表現(xiàn)，引起人們的關(guān)注，并呈現(xiàn)出大量的市場需求。本文根據(jù)實際工作中的需求，采用帶狀線傳輸形式和二級威爾金森功分模型，克服一級奇數(shù)功分難點，進行理論計算和全波模型仿真優(yōu)化，實際加工制作，功分器的實測性能為工作帶寬：4GHz，插入損耗：≤10.75dB,隔離度：≥25dB。

1 基本概念

功率分配器是最常見的射頻/微波電路中的無源器件，用于將一路信號均分為多路信號，起著功率平均分配的作用，理論上一個信號輸入經(jīng)過功分器后平均分成兩路輸出會有3dB的信號衰減。常見的有二功分、三功分、四功分。功分器反向應(yīng)用就成了合路器。功率分配器的輸出端口之間應(yīng)保證一定的隔離度。

插入損耗 （分配損耗），功率分配器的直通損耗，為所有路數(shù)的輸出功率與輸入功率的比值，或單路的實際損耗減去理想的分配損耗，理想的分配損耗為（dB）=10Log(1/N)。

隔離度，當(dāng)主路接匹配負載時，各分配之路之間的衰減量比值為隔離度。

電壓駐波比，又稱駐波比，在均勻無耗傳輸線上，電壓U的最大振幅與最小振幅之比，稱作電壓駐波比（VSWR或SWR）。

功率分配器分類：1）N功率分配器 （N=2、3、4……）；

2）等分功率分配器和不等分功率分配器；

3）大功率分配器和小功率分配器。

2 實際需求

功分器的需求指標(biāo)，具體如下：

頻率不變，按1:6的比例進行功率分配，各輸出端口要相互隔離，各輸入輸出端口要完全匹配。

頻率范圍：f0±2GHz，插入損耗≤11dB,隔離度：≥25dB,帶內(nèi)平坦度：±0.25dB，駐波比：≤1.7，外形尺寸 （長×寬×高）：63mm×52mm×8mm，接頭形式：SMP-J。外形如圖1，2所示。

圖1 功分器外形圖

圖2 功分器印制板示意圖

2 設(shè)計原理

2.1 二功分器原理

簡單的二等分功分器屬于三端121網(wǎng)絡(luò)，由于普通的無耗互易三端口網(wǎng)絡(luò)不可能達到完全匹配，且輸出端口間無隔離[1]。而在工程實現(xiàn)上對信道之

間的隔離要求很高，一次需采用混合型的功率分配器，即威爾金森型功率分配器。威爾金森的理論主要是在簡單的功率分配器中引入了隔離電阻，從而實現(xiàn)了信號鏈路的匹配和高度隔離。它的原理在引入隔離電阻后，功率分配器變?yōu)橛泄牡娜丝诰W(wǎng)絡(luò)。從三端口網(wǎng)絡(luò)的基本性質(zhì)可知，有功耗的三端口網(wǎng)絡(luò)可以做到完全匹配且輸出端口之間具有隔離，從而改善了普通功率分配器的不足。同樣，該類型的功率分配器可以實現(xiàn)任意的功率分配比，且可方便地用微帶線或帶狀線來實現(xiàn)。

二公分的功分器兩路是對稱的，所以功率是平分的。在現(xiàn)有的終端負載一般為50Ω。根據(jù)匹配原理，如圖2種的第二級中，隔離電阻R接于輸出端口2、3之間。由于結(jié)構(gòu)對稱，各路信號經(jīng)過的電長度相同，因此在輸出端口處于相同的電位，此時隔離電阻不消耗任何功率。如果信號由于駐波原因在輸出端口產(chǎn)生反射，另一部分功率發(fā)射回輸入端口，并在支線處重新分配傳輸至兩個輸出端口。由于阻抗變換線的長度為1/4波長，則兩路發(fā)射信號到達端口時的電長度相差π，所以實現(xiàn)了幅度相等、相位相反、彼此相消，從而實現(xiàn)了各兩輸出端口之間的相互隔離。對于任意分配比的混合型功率分配器，隔離電阻的作用相同。

2.2 三功分器原理

簡單的三等分功率分配器，我們可以先將功率按照1:2不等分，然后再將初次分配后的功率為2/3的一支二等分即可。

3 實現(xiàn)過程

3．1 布局與建模

根據(jù)指標(biāo)要求，查閱文獻[2]，按照往常的設(shè)計經(jīng)驗，用我們選用二級級聯(lián)威爾金森功分模式，第一級為一分三功率分配器，第二級為一分二功率分配器，使用rogers5880微波介質(zhì)基板，上下層介質(zhì)板厚度均為0.508mm，相對介電常數(shù)2.2。為保證各個端口之間的相位一致性，中間端口采用折線結(jié)構(gòu)。整個印制板布局示意圖如圖2所示。

3．2 仿真與設(shè)置

采用HFSS電磁全波仿真軟件對建模進行仿真分析。使用集總的激勵方式，最大限度模擬實際情況。金屬層使用模擬銅質(zhì)材料，金屬化過孔采用金屬性質(zhì)圓柱，隔離電阻采用矩形方塊，定義集總屬性，介質(zhì)層設(shè)置選用軟件集成的板材參數(shù)，電路板外用空氣腔包裹，空氣腔體外壁距離電路板邊緣大于一個波長（取頻率下限波長），空氣腔體外壁使用輻射邊界設(shè)置。以中心頻點為基準(zhǔn)，離散剖分模型，創(chuàng)建網(wǎng)格，計算參數(shù)收斂精度控制在0.02，如圖3所示。

圖3 仿真結(jié)果收斂曲線

3．3 制作與組裝

印制板采用4層印制板加工工藝，即下層介質(zhì)板為雙面板，上層介質(zhì)板為單面板，兩層板材高溫壓合，這種形式加工精度高，傳輸線在介質(zhì)中間與介質(zhì)板緊密連接，降低傳輸損耗。為了方便端口與盒體連接器連接，在端口末端采用帶狀線轉(zhuǎn)微帶線形式，簡化連接器與印制板組裝。印制板上層介質(zhì)板局部開窗，用于焊接隔離電阻。最終加工盒體和印制板部分如圖4所示。

圖4 雙層印制板和下層盒體部件實物圖

在調(diào)試時，要注意裝配的正確性；重點調(diào)試輸入輸出端口的電壓駐波比；注意適當(dāng)改變輸入輸出端口的阻抗匹配。

4 實驗結(jié)果

對成品的測試使用安捷倫公司的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀E5071C對耦合器進行了測試。端口駐波比和插入損耗測試結(jié)果如圖5、6所示。其他指標(biāo)見表1。

圖5 端口駐波比測試曲線

圖6 插入損耗測試曲線

表1 功分器測試性能表

從圖5、6和表1中可以看出，實測結(jié)果滿足指標(biāo)要求。

5 結(jié)束語

功率分配器由于擁有眾多的優(yōu)點，具有很好的功率分配性能，愈來愈受到設(shè)計人員的重視。隨著研究的深入，功率分配器在微波電子系統(tǒng)領(lǐng)域中展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。

本文給出了一種根據(jù)實際需求，參考相關(guān)資料，仿真設(shè)計和實現(xiàn)寬頻功分器，并做了實驗驗證。參考文中的設(shè)計和實現(xiàn)過程，還可以推廣到類似功分器的設(shè)計和實現(xiàn)。

通過上述工作，不但對功率分配器的研究和實現(xiàn)有著積極的意義，也使我對磁場理論和匹配的理論，微波集成電路有了更進一步的認識，為以后的工作和學(xué)習(xí)打下了良好的基礎(chǔ)。參考文獻：

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