T型槽加載扼流器設計

宋展鵬，曹衛(wèi)平，葛連富，唐 琦

(桂林電子科技大學 信息與通信學院，廣西 桂林 541004)

0 引言

由于同軸線具有良好的屏蔽性及傳輸特性，常用作射頻系統(tǒng)的傳輸線。當用同軸線直接向平衡天線饋電時，其外表面會產(chǎn)生不平衡電流，導致平衡天線兩臂上電流分布不對稱[1]。

目前常用的巴倫主要有扼流套、對稱式平衡器、U型環(huán)和漸變式平衡器等[2]。4種平衡巴倫中，前3種對頻率較為敏感，需要λ/4的長度或附加相移線段來實現(xiàn)，因此工作頻帶較窄、尺寸大；漸變式平衡器具有寬帶特性，但平衡器需要λ/2的漸變結構，不利于小型化設計。除了上述幾種常見的方法外，研究人員還采用在金屬板兩側開I型槽及L型槽并加載集總電容[1]構成的扼流結構對天線進行扼流，或使用鐵氧體磁環(huán)來進行扼流[2]，又或者在同軸線上級聯(lián)多個同軸扼流套[3]來對天線進行扼流等3種結構來進行扼流。但采用鐵氧體扼流需要較大的接觸面積，其物理尺寸較大，增加了天線的重量與尺寸[4-6]。后2種結構為了達到較好的扼流效果，也需要較大的物理尺寸[7]。

本文設計了一種T型槽加載集總電容的寬帶小型化扼流器。T型槽相對于L型槽結構可以實現(xiàn)更大的感性，通過加載電容后，扼流器可以在更小的尺寸內(nèi)實現(xiàn)寬帶高阻抗特性。

1 扼流器理論分析

扼流器原理類似于一個帶阻濾波器[8]。窄帶帶阻濾波器用并聯(lián)LC電路等效，電路結構如圖1所示。

圖1 并聯(lián)諧振電路

當其工作于諧振頻率時：

jωC=jωL/(R2+ωL2)。

(1)

此時阻抗為：

Z(ω)=L/RC。

(2)

因此，當電路處于諧振狀態(tài)時，呈現(xiàn)出高阻抗特性，阻斷電流通過[9]。由于LC并聯(lián)諧振電路Q值較高，因此帶寬窄，為了展寬帶寬，可采用多個諧振電路級聯(lián)結構[10-11]。

2 扼流器結構設計

考慮到介質(zhì)板加工的可行性、簡易程度以及介質(zhì)板對各種天氣環(huán)境的適應能力，扼流器選用介電常數(shù)為4.4，厚度為1.6 mm的FR4介質(zhì)板進行仿真設計[12]。

一組T型槽電流分析如圖2所示。扼流器仿真端口設置阻抗為50 Ω，為使端口匹配，扼流器2個端口采用漸變錐形結構，并且背面地板開2個對稱U型縫隙來進行匹配。由于電磁波的趨膚效應[12]，高頻電流沿著金屬層邊緣流動，圖2(a)中用箭頭表示電流流動方向。可以看到在T型槽左半邊，金屬層邊緣與縫隙邊緣構成一段終端短路的傳輸線，其等效為一個電感。當在槽邊緣加載電容后，可從電流流經(jīng)路徑分析，其與短路線構成并聯(lián)諧振環(huán)。而T型槽右半邊構成的短路線對左半邊短路線進行補償，對扼流器的阻抗具有調(diào)節(jié)作用，可展寬扼流器帶寬。由傳輸線理論可知，小于λ/4的終端開路傳輸線可等效為容性。圖2(b)中在T型槽開路端加載電容后，可等效為延長開路端路徑，實現(xiàn)了小型化設計。

文獻[3]中，天線采用在地板上開軸對稱L型縫隙來進行扼流，有效遏制了地板寄生電流，提高了天線性能。但為了得到較好的扼流效果，L型槽長度需要達到λ/4，并且?guī)捿^窄，尺寸較大，不利于小型化寬帶化設計。本文采用不等長T型縫隙并加載電容來實現(xiàn)小型寬帶扼流器設計，最長T型槽長度為0.03λ。圖3為扼流器整體結構示意圖。通過仿真優(yōu)化，扼流器結構參數(shù)值如下：L1=200 mm，L2=25 mm，L3=22 mm，L4=10 mm，L5=50 mm，W=1.64 mm，W1=22 mm，W2=20 mm，W3=2 mm，W4=14 mm，W5=1 mm。加載電容值如表1所示。扼流器等效電路如圖4所示。

圖2 一組T型槽電流分析

圖3 扼流器整體結構示意

圖4 T型槽加載電感等效電路

表1 加載電容值

電容C1C2C3電容值/pF252016

3 仿真及測試結果分析

根據(jù)上述的設計原理，用CST電磁仿真軟件建模，并進行仿真優(yōu)化設計。圖5給出了扼流器的S參數(shù)仿真曲線。由圖5可以看出，扼流器在220～400 MHz(相對帶寬為58%)的頻帶范圍內(nèi)S21小于-12 dB，即具有12 dB的衰減效果，S11基本接近0 dB，表明由1端口饋入的信號基本被截斷。

圖5 仿真S參數(shù)

使用矢量網(wǎng)絡分析儀對扼流器進行雙端口S參數(shù)測試。圖6為扼流器實測S參數(shù)值，可以看到實測數(shù)據(jù)與仿真曲線趨勢基本一致，且均小于-12 dB，但與仿真值還有一定的差異。主要原因如下：① 仿真使用的理想材料、環(huán)境與實際測試不可避免存在差異；② 扼流器模型仿真和實物測試時饋電位置的不同，導致仿真模型的阻抗與實際天線的端口阻抗有較大差別，從而造成天線實物測試結果與仿真結果存在一定差異；③ 實際應用中使用SMA接頭饋電，在頻率相對高時也會帶來相應的損耗等影響[13]。

圖6 實測S參數(shù)

由仿真與測試結果看到，扼流器工作頻帶由多個諧振點組成，與上節(jié)分析的多組并聯(lián)諧振環(huán)級聯(lián)結構吻合[14-15]。圖7為220 MHz扼流器從1端口饋入信號時的表面電流分布仿真結果。由圖7可以看出，當信號從1端口輸入時，電流在左側第二對槽達到最大，之后往端口2傳輸開始衰減。

圖7 220 MHz表面電流

為了體現(xiàn)扼流器的扼流效果，在CST中將扼流器正面中心軸線緊貼在左側振子上，如圖8(a)所示，并設置頻點f1(220 MHz)監(jiān)視器來觀察天線兩臂上電流分布。圖8(b)為電流分布仿真圖，可以看到天線加載扼流器后，左側電流明顯受到了抑制，因此表明扼流器具有良好的電流抑制作用[16-18]。扼流器實物正反面如圖9所示。

圖8 電流仿真

圖9 扼流器實物正反面

4 結束語

針對VHF/UHF頻段扼流器在實際應用中存在的體積問題，設計了一款結構簡單，改進型的寬帶扼流器。扼流器由軸向對稱的T型槽及槽末端加載集總電容構成，在帶內(nèi)具有12 dB的衰減特性。相對于傳統(tǒng)扼流巴倫來看，該扼流器能在橫縱向尺寸相對較小的情況下，實現(xiàn)了在寬頻帶內(nèi)較好的衰減特性，并且仿真與測試結果基本吻合，具有一定的工程實用性。