基于基片集成同軸線的6～18 GHz功分器設計

倪大海，陳 坤

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

寬帶技術因為傳輸速率高、隱蔽性高以及空間容量大等優點，在無線通信和雷達系統中得到了廣泛的應用。功分器將輸入功率按一定比例進行分配，也可以逆向作為功率合成器，是最常用的微波無源器件之一。特別地，在相控陣雷達中，在接收時，功分器將接收功率按比例合成到變頻端；發射時，功分器將發射功率按照比例分配給各天線端。隨著我國軍事技術的快速發展，對系統和器件的小型化、超寬帶化以及易于集成提出了更高的要求。因此，小型化、超寬帶以及易于電路集成的功分器具有很重要的研究意義。

傳統的微帶結構的Wilkinson功分器雖然結構簡單，但是不利于電路集成，且由于其裸露在空氣中，使其電磁兼容能力較弱。相比微帶線，基片集成同軸線結構可傳輸TEM模的電磁波，具有較小的插損、更好的抗干擾能力以及更大的功率容量。同時，基片集成同軸線結構可以應用于多層板中，與其他微波電路以及數字邏輯電路集成，利于小型化設計。本文設計了一款基片集成同軸線功分器，僅使用了2節功分器結構便實現了6～18 GHz帶寬，面積小；隔離電阻采用薄膜電阻，利于集成；端口處采用基片集成同軸線-微帶過渡結構，便于安裝和測試；利用該二功分器設計出的一分八功分器應用在磚塊式TR組件中，實現了控制板和射頻板多層設計，節省了電路空間。

1 基片集成同軸線Wilkinson功分器結構

1.1 Wilkinson功分器結構[1]

二等分Wilkinson功分器的原型是T型功分器，由于T型功分器是一個三端口網絡，對于任何一個三端口而言，不能同時滿足網絡無耗、端口互異以及各端口匹配這3個條件。Wilkinson功分器在T型功分器的輸出端引入電阻R，如圖1所示，從而使得各個端口完全匹配，且輸出端口之間具有一定的隔離。

圖1 Wilkinson功分器結構

由于該功分器結構與工作頻段直接相關，單節的功分器工作頻帶較窄。通過多節阻抗變化級聯的形式，各節傳輸線的長度仍為λ/4，各節阻抗變換產生的反射信號在各節之間相互抵消，從而展寬工作帶寬，達到寬帶匹配的目的。理論分析可知隨著節數增多，工作帶寬越寬，引入的帶內損耗也會越大，所以應根據工作帶寬，合理選擇功分器節數。本文研究的工作帶寬為6～18 GHz，選擇節數為2節。

1.2 基片集成同軸線結構[2-3]

基片集成同軸線(SICL)是一種平面的同軸線結構，在帶狀線兩側各自引入一列金屬化通孔即可形成SICL結構，引入的金屬化通孔類似封閉的結構，可以防止信號泄露以及與其他電路之間的串擾。圖2為利用多層PCB工藝實現的SICL示意圖：它由3層金屬、2層介質以及兩側的金屬化通孔組成，中間的金屬作為內導體，外導體由上下2層金屬以及兩側的金屬通孔組成。本文中，上下2層介質為0.254 mm厚的CLTE-XT板(ε=2.94，tanδ=0.001 2@10 GHz)，半固化板采用0.05 mm的Taconic RF-30(ε=3，tanδ=0.003 8@10 GHz)，金屬化通孔之間的間距為2 mm，金屬化通孔的直徑為0.4 mm。

圖2 SICL示意圖

由于SICL的介質材料和高度h已經確定，SICL的特征阻抗僅能由內導體wm和外導體的寬度wc決定。圖3展示了不同的內外導體寬度下，SICL特征阻抗的變化，SICL的特征阻抗主要由內導體寬度wm決定，與外導體寬度wc無關。因此，在條件允許的情況，盡量選擇較小的外導體寬度，這樣既可以減小SICL面積，又可以提高由上下層金屬和兩側金屬化通孔所構成的介質集成波導(SIW)的截止頻率。

1.3 SICL小型化超寬帶功分器

根據上面的分析，SICL小型化功分器的結構如圖4所示，為了實現6～18 GHz工作帶寬以及小型化的要求，選用功分器節數為2節，相比傳統微帶結構的3節要少一節，這得益于SICL結構相比微帶結構信號泄露得更少，品質因數Q更高。

圖4 SICL型功分器

2 6～18 GHz基片集成同軸線功分器設計

2.1 兩節功分器的參數設計[4]

由上面1.1的分析，圖4的等效電路如圖5所示，為對稱結構，因此可以利用基偶模激勵分析方法進行理論分析，如圖6所示。

圖5 SICL功分器等效電路

圖6 SICL功分器等效電路奇偶模等效電路

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

2.2 仿真優化

2.2.1 SICL小型化功分器的仿真

為了驗證上面的理論設計結果，利用HFSS軟件對建立理想狀態下功分器模型進行仿真，通過對各參數進行優化，得到符合指標要求的電路參數。最終仿真結果如圖7所示，3個端口的駐波均<-16 dB，帶內插損<0.3 dB。

圖7 功分器的優化仿真結果

其中，隔離度會隨著隔離電阻阻值的升高而增加，但是對應的帶寬會收窄，如圖8所示，選擇合適的隔離阻值，可以在獲得較好隔離度的同時，有著不錯的插損。最終選擇R1=90 Ω，R2=195 Ω，全頻段隔離>16 dB，7～18 GHz頻段隔離>20 dB。

圖8 隔離電阻阻值對隔離度的影響

2.2.2 SICL-微帶過渡[5]

為了方便SICL小型化功分器進行平面電路連接，比如與單片微波集成電路(MMIC)芯片鍵合，使得該功分器具有更好的應用場景，需要將3個端口過渡到微帶。過渡部分會引起電場突變，從而影響過渡結構的傳輸特性，為了將此不連續型盡量減小，設計了過渡枝節，如圖9所示。

圖9 SICL-MLIN過渡結構

w0設計得要比w2要小，這樣可以有效地減小電場向兩側泄露，實現電場的連續性，進而達到匹配的目的。進過HFSS仿真優化后，w0=0.32 mm，l0=0.88 mm。

將最終優化仿真結果對應到圖5中的SICL等效電路中參數，形成表1。相比傳統的6～18 GHz微帶功分器，SICL功分器的面積要小50%以上。

表1 SICL功分器參數表

2.3 一分八功分器

為了滿足6～18 GHz TR組件中八通道的使用需求，進一步將該小型化功分器進行組合成一分八功分器，如圖8所示。全頻段駐波<-13 dB，插損<1.2 dB。

圖10 一分八SICL小型化功分器

2.4 加工及測試

由于采用了SICL結構，加工同普通的微帶功分器有所區別，即隔離電阻需要進行埋置，此處采用薄膜電阻，在印制板加工時進行埋置。如圖11所示，最終的電路采用了CLTE-XT和FR4混壓的方式，FR4在上層，實現組件的邏輯控制及電源管理；CLTE-XT在底層，實現射頻信號的傳輸，大大減少了整個電路的布線空間。

圖11 印制板實物圖

最終的測試結果如圖12所示，由于電路具有完美的對稱性，這里只給出端口1和2的測試情況，輸入駐波<-11 dB，插損<2.4 dB，與仿真結果較為接近。

圖12 測試結果

3 結束語

本文提出了一種基于SICL結構的Wilkinson小型化超寬帶功分器，采用奇偶模分析方法進行理論研究和計算，確定初值后再利用HFSS仿真軟件進行優化，得到了小型化的一分二功分器。為了方便該功分器與平面電路的連接，優化設計了一種SICL-微帶的過渡結構。最后利用該功分器進行級聯，設計出了一分八功分器，并與邏輯控制和電源管理印制板混壓，達到減少電路布線空間的目的。通過將SICL結構應用于射頻、邏輯控制以及電源管理電路混合設計，驗證了其可實現性和有效性，該設計思路還可推廣到其它應用場景，有利于提高微波毫米波系統的小型化以及集成化。