基于雙級阻抗變換的1分32路Wilkinson功分網絡設計

文/李鵬程

1 引言

功分網絡是相控陣雷達中的重要組成部件，近年來，隨著毫米波的迅速發展，低剖面、寬帶化且易于與微波電路集成等逐漸成為國內外科研機構和學者的研究熱點。本文設計了一種基于雙級波導腔-微帶線混合型Wilkinson單元的寬帶功分網絡，工作頻段范圍可跨越Ku和 K波 段（Ku:14.5～ 16.5GHz；K:21.4-22.9GHz），加工后實測端口駐波控制均優于1.5，幅度和相位均方根誤差分別控制在0.5dB和5°以下。

2 1分2雙級寬帶Wilkinson功分器仿真設計

Wilkinson功分器由于具備其輸出各端口之間可以在保證匹配前提下同樣具備高隔離度的顯著優勢而用途廣泛。以單級1分2的功分單元為例，由于微帶傳輸線的工作帶寬限制，傳統的Wilkinson功分器相對帶寬為10%，針對相控陣雷達設計指標要求的Ku及K波段（14.5GHz-22.9GHz，相對帶寬為45.3%），傳統Wilkinson功分器往往很難滿足該需求。在本設計中引入了雙枝節λ/4阻抗變換線，構成了雙級Wilkinson功分器結構，使其工作帶寬滿足超寬帶工作需求。其結構示意圖如圖1所示。圖1中， Z1、Z2分別代表的兩段λ/4阻抗變換線的特性阻抗，其長度對應諧振頻率分別為16GHz和22GHz，故而可以在14GHz-23GHz的頻段范圍內形成了參差調諧，從而可實現寬帶工作；此外，圖1中，Port1、Port2和Port3的端口均通過標準的SMP射頻連接器與其他模塊進行互聯，故而Z0=50Ω，欲使各端口獲得好的駐波比，且端口之間具備良好的隔離度，就必須使其各段枝節線特性阻抗以及吸收電阻阻值的分配符合契比雪夫分布。經計算，取近似值可以得到，第一節傳輸線特性阻抗Z1=87Ω；并聯電阻阻值R1約為100Ω；第二節傳輸線特性阻抗Z2=62Ω；并聯電阻阻值R2約為200Ω。

參照圖1，利用三維仿真軟件ANSYS HFSS 15.0對該單元功分模型進行全波仿真分析，該模型中印制板材料為Arlon AD320A(tm)，厚度為10mil（0.254mm），為了給集總電阻元件提供足夠安裝空間，Z1、Z2對應的λ/4阻抗變換線長度分別為2.75mm、2mm；此外，該模型載體為銅鋁合金材料，故而在仿真模型中邊界條件可設置為PEC。最后，仿真優化得到該1分2單元的耦合系數的幅度、相位及各端口的駐波。各個端口均可實現良好的匹配效果，其駐波均可以保證在1.26以下；在要求頻段（14.5-16.5GHz，21.4-22.9GHz）范圍內，其相位一致性均可以保證在0.5°以內；仿真得到的幅度一致性均可控制在0.02dB以內，指標優良。故而，以此單元功分器形式為基礎，進而級聯構成1分32的功分網絡模型。通過合理布局及優化，輸出端口間距均設定為9mm。

3 功分網絡（1分32）測試結果

根據仿真模型加工，其輸入端口為側饋形式，輸出端口均為背饋形式，如圖2所示。利用安捷倫矢量網絡分析儀，測試頻率范圍：10MHz-43.5GHz）進行測試。測試功分網絡時，除去被測端口外，其他端口均接入50歐姆匹配負載。

經測試，輸入輸出端口的駐波均保持在1.3以內；在14.5～16.5GHz和21.4～22.9GHz的頻段范圍內，其相位誤差均方根均可以保證在4.7°以內；其幅度誤差均方根可控制在0.3dB以內，滿足設計要求。

圖1：雙級Wilkinson功分器仿真模型圖

圖2：Wilkinson功分網絡腔體未封裝實物圖

4 結論

設計了一款基于雙級阻抗變換的寬帶Wilkinson功分網絡，該網絡采用介質-波導混合腔結構，工作頻段可跨越Ku和K波段（Ku:14.5～16.5GHz；K:21.4-22.9GHz）；隨后，對該網絡進行了加工并實測，其副相均方根誤差均可滿足指標要求，同時，其所有端口駐波均優于1.45，可作為寬帶功分網絡模塊運用于磚式相控陣天線中，該設計也為類似頻段，且寬帶工作需求的功分網絡設計提供了指導。