70MHz-800MHz低頻超寬帶微帶一分四功分器的設計

李 希，李佳霖，劉 陽，王 琨

(陜西華達科技股份有限公司，陜西西安，710119)

1 引言

隨著科技水平的快速發展,無線微波通信系統的大量應用,對射頻電路的要求也隨之越來越高,尤其是現在超寬帶微波通信系統全面發展,對超寬帶射頻器件的要求也越來越高[1]。某射頻聯調系統提出在70MHz～800MHz的工作頻率內,需設計一款滿足低駐波、高隔離的低頻超寬帶一分四功分器。

通常可采用電阻型功分器和微帶型功分器。T型結功分器,它具有無耗特性,但是端口間的隔離度差;電阻式功分器,它的網絡是有耗的,有一部分的功率損耗,同時各端口間的隔離度也較差;而Wilkinson微帶功分器各個功分端口相位特性可保持一致,同時可具有高的信號隔離度,各個端口能同時匹配的優點。因此,選擇采用Wilkinson結構的微帶功分器來進行本文的設計研究。

2 功分器工作原理

微帶線的級數與工作帶寬是息息相關的,在確定微帶線的級數之前,我們需要引入一個λ/4阻抗變換器。當傳輸線和負載相連接時,如果二者阻抗不匹配,傳輸線上將會產生反射波,造成能量的損失,增加信號的衰減,為了使信號能在傳輸線最大化的輸出功率,需盡可能的減少傳輸線上的反射波,這就需要引入一段匹配線來消除傳輸線和負載所產生的反射波,因此,采用增加一段傳輸線的阻值等于特性阻抗的λ/4波長的匹配線來達到其阻抗匹配,減少傳輸線的衰減,以消除二者之間的反射波。

對于窄頻帶的功分器,利用單節λ/4阻抗變換器就可滿足其帶寬的要求,本文需設計的是一款寬帶功分器,需要在寬帶內實現阻抗的匹配,單節λ/4阻抗變換器無法滿足要求,因此需要將λ/4阻抗變換器相互級聯,組成一個多節階梯阻抗變換器,來滿足寬帶匹配。如圖2所示為一個多節1/4波長階梯阻抗變換器的原理圖。

圖2 多節1/4波長階梯阻抗變換器原理圖

其中,特性阻抗分別為Z1,Z2,……Zn,采用 Wilkinson功分器結構相互級聯,使用各節的傳輸線長度為λ/4波長,每次往返經過一個λ/4變換器就會產生一個180°的相移,每節之間相互抵消,這樣使所有的傳輸線上反射的疊加得到的結果為零[1]。恰當地選擇階梯阻抗變換器的節數,就能保證足夠的帶寬匹配。

由上述分析可知,增加階梯阻抗變換器的節數可拓展功分器的工作帶寬,但多節數的引入也會造成傳輸線插入損耗的增大,因此,應根據設計指標的需求,合理地選擇功分器的節數N。

為實現傳輸線間阻抗匹配和端口之間的信號隔離,需要在設計時引入隔離電阻R[2],利用隔離電阻可以使兩分路信號相位為180°,信號反向抵消,達到相鄰兩端口之間信號隔離的作用。減少各端口信號的影響,使得更多的信號能夠輸入到下級的輸入端。

級數N>3時,可按下列公式首先計算歸一化隔離電導gi,然后再由ri = 1/gi計算歸一化隔離電阻ri。

(1)

當θ=90°時,偶模階梯阻抗轉換器的駐波比為ρe90°。對切比雪夫響應來講,當N是奇數時, ρe90°=1;當N是偶數時,ρe90°=ρemax(即為頻帶內最大駐波比)按照上述公式進行計算,即可得出各節之間的隔離電阻阻值[3]。

3 70MHz～800MHz功分器仿真設計

本文設計了一款低頻超寬帶微帶一分四功分器,需滿足以下設計指標:工作頻率為70MHz～800MHz;各端口間電壓駐波比≤1.5,插入損耗優于-9dB(含理論損耗-6dB),隔離度優于15dB。

根據上述設計指標,設計模型如圖3所示,通過計算初步給出該功分器的初始尺寸,選用電路板材的介電常數為3.55,板材厚度為0.508mm,通過理論計算得出,功分器的級數N至少為7級,當選用N=8時經過仿真計算,該功分器的插入損耗較N=7級時大,體積也增大,因此,該功分器選用級數N=7進行設計。經過各端口性能指標仿真結果如圖4所示,可以由下表1看出,駐波、插損、隔離各端口指標均滿足且優于設計指標要求。

表1 各電性能指標的仿真結果

圖3 一分四功分器仿真模型

圖4 各端口電性能指標仿真結果

4 功分器的實物加工與測試

通過仿真結果,對微帶電路進行加工,設計功分器的腔體和蓋板,對各輸入輸出端口選用SMA連接器,實物如圖5所示。

圖5 功分器實物圖

通過對該功分器測試其端口各電性能指標,測試結果如圖6所示和表2 得出,該功分器的總口的駐波比<1.32,分口駐波比<1.16,插入損耗可優于-8.3dB(含理論損耗-6dB),隔離度可優于20dB,測試指標均達到設計指標要求,實物測試結果與仿真結果基本一致,且實物駐波比和隔離度均優于仿真結果。

圖6 功分器實物各性能指標測試結果

5 結論

本文采用Wilkinson結構的微帶功分器利用多節阻抗變換器相級聯的方法在低頻段及超寬帶探索研究。設計了一種低頻超寬帶一分四功分器,倍頻約為11.5,經實物測試結果表明:在70MHz～800MHz的工作頻率范圍內,該功分器各端口的電壓駐波比<1.35,輸出隔離度優于-20dB,插入損耗優于-8.5dB(含理論損耗-6dB),該功分器性能指標均滿足設計要求,證明該設計方法的可行性。