试议微带一种微带结构新型不等分功分器设计
最后更新时间：2024-03-10
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论文导读：
摘 要： 为了满足天线阵波束赋形对各单元天线输入功率不等分配的要求，基于Wilkinson功率分配器设计理论，详细推导并给出了任意功分比情况下隔离电阻的计算公式，补充了目前参考资料中对于直接多路输出功分器的设计指导。通过引入二分之一波长微带传输线，提出了一种微带结构的新型不等分功率分配器的设计方法。基于此方法，实现了一款应用于海事卫星通信天线阵馈电网络的功分比为1∶2∶1的三路不等分功分器。仿真和实测结果表明，功分器在工作频带范围内具有良好的性能指标。
关键词： 不等分功分器； 隔离电阻； 天线阵波束赋形； 海事卫星通信
1004?373X（2013）04?0154?03
0 引 言
在无线通信系统中，功率分配器（简称功分器）有着非常广泛的应用，例如它是相控阵雷达天线中的一个重要组件。近年来，对功分器的研究不断深入，尤其对等功分的研究较多[2?4]。随着技术的发展，对不等分功分器的研究也凸显意义，尤其对天线阵波束赋形，不等功分馈电可以有效抑制天线副瓣电平过大。目前，不等分功分器两路输出的设计居多[5]，而对于多路输出的设计，参考文献较少且大部分是基于两路结构。文献[6]介绍了一种树状拓扑结构的设计方法，利用Wilkinson功分器将输入信号等分，然后将等分的信号分别再次等分，形成4路等幅同相的信号，最后将分属不同组的相邻两路信号合并，实现了1∶2∶1的功率分配。这种设计原理简单，但是电路结构尺寸较大，不够紧凑。文献[7]虽然实现了直接多路输出，但考虑到物理结构的可实现性，只焊接了两个贴片电阻，导致无法完全实现各支路间的两两隔离，存在其中的两条支路隔离度差的问题。另外，对于直接任意比例多路输出的功分器，目前的参考资料[5，8]没有给出详细的设计指导，比如无法找到隔离电阻的计算公式。本文以Wilkinson功分器理论为基础，详细推导并给出了任意比例功分器直接多路输出时各支路之间隔离电阻的计算公式。通过引入二分之一波长微带传输线，提出了一种结构紧凑、隔离性能较好的三路不等分功分器。通过大量的计算机仿真和加工实验，实现了一款应用于海事卫星通信天线阵馈电网络的新型不等分功率分配器。
1 功分器设计
当N路功率分配器满足如下条件：输入端口匹配无反射；各路输出功率比已知，P1∶P2∶P3∶…∶PN=k1∶k2∶…∶kN；各路输出电压U1，U2，…，UN等幅同相时，文献[8]给出了各路负载阻值和支路特性阻抗的设计公式如下：
式中ki为各路输出功率之比。所以，当已知各路功率之比时，可按照式（13）求出各参数的值，从而实现所需功分器的设计。
2 仿真及实验结果
为了验证设计方法的可行性，根据上述分析，设计了一款用于海事卫星通信天线阵馈电网络的三路不等分功分器。中心频率为f0=1.6 GHz，工作频带1.5～1.7 GHz，输入/输出端口阻抗Z0=50 Ω，三输出端口功分比为P1∶P2∶P3=1∶2∶1。由式（13）可得各设计参数为：R1=50 Ω，R2=25 Ω，R3=50 Ω，Z01=100 Ω，Z02=50 Ω， Z03=100 Ω，r1=50 Ω，r2=25 Ω，r3=50 Ω。设计中作了以下考虑：为了满足天线阵各单元天线共线排列的需求，将功分器各输出端口用微带线引出，相邻端口间距0.75λ。对于1，3支路，因为R1=R3=50 Ω，可直接用50 Ω微带线做分支，但是对于2支路，需采用一节四分之一波长阻抗变换器（特性阻抗为35.4 Ω）将R2=25 Ω转换成50 Ω，使输出阻抗与负载阻抗相匹配。考虑到实际布局及制作工艺的限制，在隔离电路部分引入两段特性阻抗为Z=100 Ω，长度为[λ2]的微带线，如图2所示。
由矩阵A可知，两支路之间的隔离电路部分仍等效为一个串联电阻，两段[λ2]传输线的引入，不但没有改变电路的性能，而且为电路结构的物理实现提供了便利。
最终对所设计的结构进行了加工制作，选用F4B系列微波介质材料板，相对介电常数为εr=2.65，损耗角正切tan δ=0.003，厚度h=2 mm。利用ADS和HFSS电磁仿真软件进行大量的仿真优化，得到最佳的电路尺寸和最终的加工实物如图3所示。图4和图5给出了所设计功分器的仿真和实测结果对比曲线。从图中可以看出，实论文导读：
测结果曲线中心频率整体较理论仿真值有所偏高，主要是由于加工误差和测量误差造成的。在1.5～1.7 GHz工作频带内，实测S11<-18 dB，输入端匹配较好；各输出端口的功分比在中心频率处实测结果S21=-6.12 dB，S31=-3.34 dB，S41=-6.36 dB，与仿真值S21=S41=-6.08 dB，S31=-3.06 dB相差较小，误差小于0.3 dB，在工作频带内输出功率起伏小于0.18 dB；各输出端口的隔离度S23和S24实测值小于-20 dB，实现了两两端口的良好隔离。总的来说，实测结果和仿真结果具有较好的一致性。
3 结 语
本文基于Wilkinson功分器设计理论，以3路功分器为例，详细推导并给出了N路任意功分比情况下隔离电阻的计算公式，完善了对直接多路输出功分器的设计指源于：毕业设计论文网www.7ctime.com
导公式。通过引入二分之一波长微带传输线，将传统功分器进行改进，提出了一种结构新颖，布局紧凑的微带三路不等分功分器。测试结果与仿真结果具有较好的一致性，从而验证了该设计公式的有效。该功分器在整个工作频带内，各端口匹配好，各输出支路等分度好、隔离度高，适用于天线阵波束赋形馈电电路设计。
参考文献
高玉良，万建岗，张路.新一代S波段有源相控阵雷达T/R组件[J].现代雷达，2010，32（1）：81?84.
CHIU Jui?Chieh， LIN Jhi?Ming， WANG Yeong?Her. A novel planar three?way power divider [J]. IEEE Microwe and Wireless Components Letters， 2006， 16（8）： 449?451.
[3] 李中，张晨新，龙戈农.一种用于波达方向估计系统的平面功分器[J].工程设计学报，2008，15（4）：275?277.
[4] 朱德才，王自成，蒿正伟，等.一种新型毫米波宽带三路等分功分器[J].科学技术与工程，2008，8（15）：4329?4331.
[5] POZAR D M. Microwe engineering [M]. 3rd ed. Beijing： Publishing House of Electronic Industry， 2006.
[6] GOLDFARB M E. A recombinant， in?phase power divider [J]. IEEE Transacitions on Microwe Theory and Technioues， 1991， 39（8）： 1438?1440.
[7] 陈慰，陶学敏，赵娜.新型三等分Wilkinson 功分器在高效率功放中的应用[J].电讯技术，2011，51（8）：138?142.
[8] 雷振亚，明正峰，李磊，等.微波工程导论[M].北京：科学出版社，2010.
摘 要： 为了满足天线阵波束赋形对各单元天线输入功率不等分配的要求，基于Wilkinson功率分配器设计理论，详细推导并给出了任意功分比情况下隔离电阻的计算公式，补充了目前参考资料中对于直接多路输出功分器的设计指导。通过引入二分之一波长微带传输线，提出了一种微带结构的新型不等分功率分配器的设计方法。基于此方法，实现了一款应用于海事卫星通信天线阵馈电网络的功分比为1∶2∶1的三路不等分功分器。仿真和实测结果表明，功分器在工作频带范围内具有良好的性能指标。
关键词： 不等分功分器； 隔离电阻； 天线阵波束赋形； 海事卫星通信
1004?373X（2013）04?0154?03
0 引 言
在无线通信系统中，功率分配器（简称功分器）有着非常广泛的应用，例如它是相控阵雷达天线中的一个重要组件。近年来，对功分器的研究不断深入，尤其对等功分的研究较多[2?4]。随着技术的发展，对不等分功分器的研究也凸显意义，尤其对天线阵波束赋形，不等功分馈电可以有效抑制天线副瓣电平过大。目前，不等分功分器两路输出的设计居多[5]，而对于多路输出的设计，参考文献较少且大部分是基于两路结构。文献[6]介绍了一种树状拓扑结构的设计方法，利用Wilkinson功分器将输入信号等分，然后将等分的信号分别再次等分，形成4路等幅同相的信号，最后将分属不同组的相邻两路信号合并，实现了1∶2∶1的功率分配。这种设计原理简单，但是电路结构尺寸较大，不够紧凑。文献[7]虽然实现了直接多路输出，但考虑到物理结构的可实现性，只焊接了两个贴片电阻，导致无法完全实现各支路间的两两隔离，存在其中的两条支路隔离度差的问题。另外，对于直接任意比例多路输出的功分器，目前的参考资料[5，8]没有给出详细的设计指导，比如无法找到隔离电阻的计算公式。本文以Wilkinson功分器理论为基础，详细推导并给出了任意比例功分器直接多路输出时各支路之间隔离电阻的计算公式。通过引入二分之一波长微带传输线，提出了一种结构紧凑、隔离性能较好的三路不等分功分器。通过大量的计算机仿真和加工实验，实现了一款应用于海事卫星通信天线阵馈电网络的新型不等分功率分配器。
1 功分器设计
当N路功率分配器满足如下条件：输入端口匹配无反射；各路输出功率比已知，P1∶P2∶P3∶…∶PN=k1∶k2∶…∶kN；各路输出电压U1，U2，…，UN等幅同相时，文献[8]给出了各路负载阻值和支路特性阻抗的设计公式如下：
式中ki为各路输出功率之比。所以，当已知各路功率之比时，可按照式（13）求出各参数的值，从而实现所需功分器的设计。
2 仿真及实验结果
为了验证设计方法的可行性，根据上述分析，设计了一款用于海事卫星通信天线阵馈电网络的三路不等分功分器。中心频率为f0=1.6 GHz，工作频带1.5～1.7 GHz，输入/输出端口阻抗Z0=50 Ω，三输出端口功分比为P1∶P2∶P3=1∶2∶1。由式（13）可得各设计参数为：R1=50 Ω，R2=25 Ω，R3=50 Ω，Z01=100 Ω，Z02=50 Ω， Z03=100 Ω，r1=50 Ω，r2=25 Ω，r3=50 Ω。设计中作了以下考虑：为了满足天线阵各单元天线共线排列的需求，将功分器各输出端口用微带线引出，相邻端口间距0.75λ。对于1，3支路，因为R1=R3=50 Ω，可直接用50 Ω微带线做分支，但是对于2支路，需采用一节四分之一波长阻抗变换器（特性阻抗为35.4 Ω）将R2=25 Ω转换成50 Ω，使输出阻抗与负载阻抗相匹配。考虑到实际布局及制作工艺的限制，在隔离电路部分引入两段特性阻抗为Z=100 Ω，长度为[λ2]的微带线，如图2所示。
由矩阵A可知，两支路之间的隔离电路部分仍等效为一个串联电阻，两段[λ2]传输线的引入，不但没有改变电路的性能，而且为电路结构的物理实现提供了便利。
最终对所设计的结构进行了加工制作，选用F4B系列微波介质材料板，相对介电常数为εr=2.65，损耗角正切tan δ=0.003，厚度h=2 mm。利用ADS和HFSS电磁仿真软件进行大量的仿真优化，得到最佳的电路尺寸和最终的加工实物如图3所示。图4和图5给出了所设计功分器的仿真和实测结果对比曲线。从图中可以看出，实论文导读：
测结果曲线中心频率整体较理论仿真值有所偏高，主要是由于加工误差和测量误差造成的。在1.5～1.7 GHz工作频带内，实测S11<-18 dB，输入端匹配较好；各输出端口的功分比在中心频率处实测结果S21=-6.12 dB，S31=-3.34 dB，S41=-6.36 dB，与仿真值S21=S41=-6.08 dB，S31=-3.06 dB相差较小，误差小于0.3 dB，在工作频带内输出功率起伏小于0.18 dB；各输出端口的隔离度S23和S24实测值小于-20 dB，实现了两两端口的良好隔离。总的来说，实测结果和仿真结果具有较好的一致性。
3 结 语
本文基于Wilkinson功分器设计理论，以3路功分器为例，详细推导并给出了N路任意功分比情况下隔离电阻的计算公式，完善了对直接多路输出功分器的设计指源于：毕业设计论文网www.7ctime.com
导公式。通过引入二分之一波长微带传输线，将传统功分器进行改进，提出了一种结构新颖，布局紧凑的微带三路不等分功分器。测试结果与仿真结果具有较好的一致性，从而验证了该设计公式的有效。该功分器在整个工作频带内，各端口匹配好，各输出支路等分度好、隔离度高，适用于天线阵波束赋形馈电电路设计。
参考文献
高玉良，万建岗，张路.新一代S波段有源相控阵雷达T/R组件[J].现代雷达，2010，32（1）：81?84.
CHIU Jui?Chieh， LIN Jhi?Ming， WANG Yeong?Her. A novel planar three?way power divider [J]. IEEE Microwe and Wireless Components Letters， 2006， 16（8）： 449?451.
[3] 李中，张晨新，龙戈农.一种用于波达方向估计系统的平面功分器[J].工程设计学报，2008，15（4）：275?277.
[4] 朱德才，王自成，蒿正伟，等.一种新型毫米波宽带三路等分功分器[J].科学技术与工程，2008，8（15）：4329?4331.
[5] POZAR D M. Microwe engineering [M]. 3rd ed. Beijing： Publishing House of Electronic Industry， 2006.
[6] GOLDFARB M E. A recombinant， in?phase power divider [J]. IEEE Transacitions on Microwe Theory and Technioues， 1991， 39（8）： 1438?1440.
[7] 陈慰，陶学敏，赵娜.新型三等分Wilkinson 功分器在高效率功放中的应用[J].电讯技术，2011，51（8）：138?142.
[8] 雷振亚，明正峰，李磊，等.微波工程导论[M].北京：科学出版社，2010.