2～12 GHz超寬帶功分器的設(shè)計

郭崢，池少騰，楊自強

1.西南電子設(shè)備研究所，四川成都610036 2.電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，四川成都611731

2～12 GHz超寬帶功分器的設(shè)計

郭崢1，池少騰2，楊自強2

1.西南電子設(shè)備研究所，四川成都610036 2.電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，四川成都611731

應(yīng)某雷達(dá)系統(tǒng)射頻前端提出的對超寬帶功分器的應(yīng)用需求，文中提出一種基于多節(jié)Wilkinson結(jié)構(gòu)的超寬帶功分器，并使用ADS與HFSS軟件進(jìn)行仿真設(shè)計。首先利用ADS軟件快速綜合出功分器的初始尺寸，然后在HFSS軟件中進(jìn)行精確的仿真和優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了實驗驗證，測試結(jié)果表明該功分器在2～12 GHz工作頻率內(nèi)，插入損耗小于5 dB，端口回波損耗大于10 dB，輸出隔離度大于20 dB。

ADS; HFSS;超寬帶;功分器; Wilkinson

網(wǎng)絡(luò)出版地址: http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1191.U.20150727.1039.014.html

隨著科技的進(jìn)步，無線通信和雷達(dá)系統(tǒng)得到了更廣泛的應(yīng)用，對射頻電路要求也越來越高。特別是現(xiàn)在超寬帶通信等的超寬帶系統(tǒng)的發(fā)展，對超寬帶射頻器件的要求越來越高［1-5］。在射頻微波電路中，功分器是將信號的功率分成兩路或者多路的器件，根據(jù)輸出端口的功率大小可分為等分或者不等分功率分配器，并可分成兩路或者多路。

先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)(advanced design system，ADS)支持系統(tǒng)和射頻所有類型的設(shè)計，仿真速度快，但三維電磁仿真精度較差。HFSS(high frequency structure simulator)為Ansoft公司推出的三維電磁仿真軟件，設(shè)計精度較高，但仿真時間較長。

1 Wilkinson功分器結(jié)構(gòu)的基本原理

二等分功分器是三端口網(wǎng)絡(luò)，普通的無耗互易三端口網(wǎng)絡(luò)不可能達(dá)到完全匹配，且輸出端口間無隔離。而Wilkinson功分器在簡單功分器中引入隔離電阻R，從而實現(xiàn)各端口的匹配及輸出端口間的高度隔離?；镜腤ilkinson結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　單節(jié)Wilkinson功分器的結(jié)構(gòu)

隔離電阻R的引入可以實現(xiàn)輸出端口之間隔離。輸入輸出的3個端口的特性阻抗均為Z0，端口之間的兩路為特性阻抗為Z0的微帶線，長度為λ/4，兩根線實現(xiàn)阻抗的變換［6］。

由于電路的對稱性，當(dāng)信號從端口1輸入以后，會在兩路輸出端口得到功率相同、相位相同的兩路信號，由于電阻R的兩端電位相同，因此沒有電流通過。而當(dāng)端口2輸入一個信號后，信號分兩路達(dá)到端口3，一路直接通過電阻R達(dá)到端口3，另一路通過傳輸線達(dá)到端口3。如果R的位置合適的時候，兩路信號相位會相差180°，并相互抵消，達(dá)到信號隔離的效果。為實現(xiàn)輸出端口的高駐波比，隔離電阻R的阻值為2 Z0。

由以上介紹可知，該結(jié)構(gòu)的功分器與工作信號的電長度直接相關(guān)，因此工作頻率較窄。因此可采用多節(jié)阻抗變化級聯(lián)的形式實現(xiàn)寬帶功率分配，多節(jié)Wilkinson的結(jié)構(gòu)如圖2所示，利用Wilkinson結(jié)構(gòu)前后級聯(lián)，各節(jié)的特性阻抗Z1、Z2、…、Zn和隔離電阻阻值R1、R2、…、Rn各不相同。各節(jié)傳輸線的長度仍為λ/4，各節(jié)因阻抗變換產(chǎn)生的反射信號在每節(jié)之間相互抵消，從而將工作頻帶展寬，實現(xiàn)寬帶的匹配。理論分析認(rèn)為功分器的節(jié)數(shù)越多工作帶寬越寬，但引入的插入損耗也越大，應(yīng)根據(jù)設(shè)計指標(biāo)，合理地選擇功分器的節(jié)數(shù)［7-10］。

圖2　多節(jié)Wilkinson功分器的結(jié)構(gòu)

2 2～12 GHz功分器的設(shè)計

文中要求設(shè)計一個超寬帶的等功率兩路分配器，具體設(shè)計目標(biāo)為:工作頻率為2～12 GHz;傳輸損耗＜5 dB;端口隔離度＞20 dB;端口駐波比＜1.5。

根據(jù)設(shè)計指標(biāo)采用多節(jié)Wilkinson結(jié)構(gòu)實現(xiàn)該超寬帶功分器，傳統(tǒng)的設(shè)計方法是采用理論分析計算，得出功分器各支節(jié)的具體尺寸和各隔離電阻的阻值。該方法設(shè)計周期長，設(shè)計精度較差。文中使用ADS和HFSS軟件設(shè)計該功分器，結(jié)合ADS軟件的快速仿真和HFSS軟件的精度，快速設(shè)計出該功分器的尺寸。

首先利用ADS軟件的DesignGuide菜單下的passive circuit工具初步綜合出該功分器的初始尺寸，功分器板材選擇Rogers 4 350高頻板，板厚為0.254 mm，介電常數(shù)為3.66。根據(jù)設(shè)計指標(biāo)功分器的節(jié)數(shù)設(shè)置為5，保證一定的寬帶特性和傳輸損耗。設(shè)計模型如圖3所示，ADS軟件可以直接綜合出各節(jié)的微帶線線寬、線長和各隔離電阻的阻值。ADS模型仿真結(jié)果如圖4所示，從結(jié)果可知該模型在2～12 GHz的設(shè)計頻帶內(nèi)，帶內(nèi)傳輸損耗小于4 dB，各指標(biāo)均滿足設(shè)計要求。

圖3　功分器的ADS仿真模型

圖4　功分器的ADS仿真結(jié)果

將ADS軟件得到初始尺寸在HFSS軟件中建立模型，設(shè)置仿真腔體和端口激勵。為防止腔體自激，屏蔽腔體的尺寸選擇為20 mm×23 mm。初步仿真可發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果與ADS軟件仿真結(jié)果有所偏差，主要是ADS軟件仿真基于二維仿真，仿真精度較差。將HFSS模型中功分器各節(jié)的線寬和線長以及各隔離電阻設(shè)置成變量，分別為Wn、Ln和Rn(n分別為1，2，…)。改變各變量的值，通過優(yōu)化仿真得到最優(yōu)的設(shè)計結(jié)果。

HFSS的設(shè)計模型如圖5所示，優(yōu)化后的仿真結(jié)果如圖6所示。優(yōu)化后的隔離電阻的阻值分別為R1=150 Ω，R2=188 Ω，R3=287 Ω，R4=420 Ω，R5=367 Ω。從仿真結(jié)果中可知，該功分器的仿真帶內(nèi)損耗小于4.1 dB，帶內(nèi)回波損耗大于15 dB，端口隔離度優(yōu)于20 dB。

圖5　功分器的HFSS仿真模型

圖6　功分器的HFSS仿真模型

3　功分器的加工與測試

按照仿真時使用的板材和微帶線尺寸加工該功分器，由于其工作頻率較高，隔離電阻統(tǒng)一采用0402封裝電阻，減少分布參數(shù)的影響。使用Solidworks軟件設(shè)計功分器的屏蔽腔體，腔體的尺寸與HFSS模型中的腔體保持一致，腔體材料采用鋁材，并作表面氧化處理。功分器的輸入輸出接頭采用SMA高頻接頭，裝配好的功分器實物如圖7所示。

圖7　功分器實物圖

使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對該功分器進(jìn)行測試，主要測試功分器的傳輸特性、端口駐波特性、輸出端口隔離度等性能。測試結(jié)果如圖8，由圖可知該超寬帶功分器在2～12 GHz的超寬帶內(nèi)的傳輸損耗小于5 dB，端口回波損耗大于10 dB，輸出端口隔離度大于20 dB，均滿足設(shè)計要求。從測試可知在高頻段的測試結(jié)果與仿真結(jié)果相差較大，主要是接頭和測試匹配負(fù)載在高頻段工作性能較差引入的，同時實際的電阻分布參數(shù)對結(jié)果也有一定影響。

圖8　功分器的測試結(jié)果

4　結(jié)束語

本設(shè)計中充分利用了ADS軟件和HFSS軟件的設(shè)計優(yōu)點，采用多節(jié)阻抗變換Wilkinson功分器結(jié)構(gòu)，可在短周期內(nèi)設(shè)計出一款性能優(yōu)良的超寬帶功分器，提高了設(shè)計效率，保證了精度。從本設(shè)計的2～12 GHz超寬帶功分器的測試結(jié)果可知，該功分器的各設(shè)計指標(biāo)與仿真的結(jié)果大致相同，并均滿足設(shè)計要求，證明了該設(shè)計方法的可行性。

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網(wǎng)絡(luò)出版地址: http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1191.U.20150727.1025.003.html

Design of 2～12 GHz ultra-wideband power dividers

GUO Zheng1，CHI Shaoteng2，YANG Ziqiang2

1.Southwest Institute of Electronic Equipment of China (SWIEE)，Chengdu 610036，China 2.School of Electronic Engineering，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731，China

The ultra wide band power divider is required by the RF front-end of a radar system.A UWB power divider using multi-class Wilkinson structure is proposed in this paper.The advanced design system and high frequency structure simulator software are both used to simulate the power divider.The initial size of the power divider was obtained using the ADS software，and then the power divider was simulated and optimized by the HFSS software accurately.A prototype of the power divider was fabricated and measured.The experimental results show that the insertion loss is less than 5 dB，the port return loss is more than 10 dB，and the isolation is more than 20 dB in the frequency range of 2～12 GHz.

ADS; HFSS; UWB; power divider; Wilkinson structure

TN626

A

1009-671X(2015) 04-034-04

10.3969/j.issn.1009-671X.201502002

2015-02-03.網(wǎng)絡(luò)出版日期: 2015-07-27.

國家自然科學(xué)基金資助項目(61471093).

郭崢(1982-)，男，碩士研究生.

郭崢，E-mail: guozh@qq.com.

10.3969/j.issn.1009-671X.201411007