多路微波功率分配器的快速設(shè)計(jì)

張文梁，于志波

(1.中華通信系統(tǒng)有限責(zé)任公司河北分公司，河北 石家莊 050081； 2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

多路微波功率分配器的快速設(shè)計(jì)

張文梁1，于志波2

(1.中華通信系統(tǒng)有限責(zé)任公司河北分公司，河北 石家莊 050081； 2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

針對(duì)目前多路功率分配領(lǐng)域具有插損大、承受功率低等問(wèn)題，提出了一種新穎的多路微波功率分配器的快速設(shè)計(jì)方法，使用電路和電磁場(chǎng)聯(lián)合仿真的方法，充分利用電路仿真軟件和電磁場(chǎng)仿真軟件的優(yōu)點(diǎn)，節(jié)省仿真時(shí)間，提高仿真精度。研究了該方法在工程中存在的問(wèn)題及解決辦法。制作了一個(gè)21路同軸線功率分配器樣件，對(duì)樣件進(jìn)行了指標(biāo)測(cè)試，驗(yàn)證了這種方法的可行性，詳細(xì)分析了測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果存在差異的原因。

微波；功率分配；聯(lián)合仿真；同軸線

0 引言

多路微波功率分配器是微波電路中的重要部件，在相控陣天線和功率分配等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用[1-2]。目前多路微波功率分配器的實(shí)現(xiàn)方法多采用通過(guò)級(jí)聯(lián)一分二的Wilkinson功率分配器來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種實(shí)現(xiàn)形式具有容易實(shí)現(xiàn)路數(shù)為2n的多路功率分配器以及設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。但隨著分配路數(shù)的增加插損逐漸增大、無(wú)法承受高功率等問(wèn)題一直困擾著設(shè)計(jì)師。針對(duì)這些難題，提出了同軸線形式功分器的設(shè)計(jì)方法，這種形式的功率分配器具有不受路數(shù)的限制、實(shí)現(xiàn)任意路的功率分配、插入損耗不會(huì)隨路數(shù)增加而增大和可以應(yīng)用在大功率輸出領(lǐng)域等顯著優(yōu)點(diǎn)。此外，在多路輸出時(shí)，體積上也占有優(yōu)勢(shì)。

1 總體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一種頻率范圍為800～1 300 MHz的21路微波功率分配器，采用同軸線的形式實(shí)現(xiàn)。多路微波功率分配器的組成如圖1所示。

圖1 多路功率分配器的組成

信號(hào)由輸入端口進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)后，經(jīng)過(guò)第一級(jí)阻抗變換器，在一級(jí)阻抗變換器的末端分支為21條二級(jí)阻抗變換器。輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)二級(jí)阻抗變換，將阻抗變換到輸出端口的50 Ω[3-4]。從信號(hào)的流程中可以看出，需要多少路輸出只需在二級(jí)阻抗變換器之間引出多少個(gè)抽頭即可。簡(jiǎn)單和高度對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu)形式使功分器在多路輸出時(shí)在體積和技術(shù)指標(biāo)上占優(yōu)勢(shì)。

1.1 電路設(shè)計(jì)

首先根據(jù)多路微波功率分配器的輸出路數(shù)和所要求的相對(duì)帶寬來(lái)決定功率分配器所需要的阻抗變換器的級(jí)數(shù)；然后根據(jù)網(wǎng)絡(luò)綜合理論或者電路優(yōu)化的方法來(lái)得到各級(jí)阻抗變換器的阻抗值，這一步得到的阻抗為電路電磁場(chǎng)聯(lián)合仿真提供初始值；最后采用電路電磁場(chǎng)仿真的手段得到多路微波功率分配器的結(jié)構(gòu)參數(shù)[5]。

要得到多端口微波功率分配器所需要的阻抗變換器的級(jí)數(shù)和各級(jí)阻抗變換器的阻抗值，首先就是要把分配器看成是一個(gè)50～50/21 Ω的阻抗變換器(輸出的每一路都是并聯(lián)的，因此輸出端的并聯(lián)阻抗為50/21 Ω)，阻抗變換器由Z1和Z2兩級(jí)構(gòu)成。查閱文獻(xiàn)[6]的相關(guān)部分得到所需要的阻抗變換器的級(jí)數(shù)。經(jīng)過(guò)查表得知，所需要的級(jí)數(shù)為二級(jí)，但是表中沒(méi)有給出阻抗變換器的阻抗值。

阻抗變換器的特征阻抗Z1和Z2的計(jì)算以及結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)是多路微波功率分配器設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，采用電路仿真的辦法得到阻抗變換器的特征阻抗分別為20.7 Ω和103.5 Ω。

根據(jù)同軸線的阻抗公式可以計(jì)算出同軸線的結(jié)構(gòu)尺寸[7]。同軸線的阻抗計(jì)算公式為：

(1)

式中，b為同軸線外徑；a為內(nèi)徑；εr為相對(duì)介電常數(shù)；μr為相對(duì)磁導(dǎo)率。

由式(1)可以計(jì)算得出一級(jí)和二級(jí)阻抗變換器的結(jié)構(gòu)尺寸。

一級(jí)阻抗變換器為均勻同軸線，因此不需要電磁場(chǎng)仿真，用電路仿真就可以。二級(jí)阻抗變換器為帶接頭的偏心同軸線部分，因?yàn)殡娐贩抡胬锩?，沒(méi)有現(xiàn)成的模型，因此采用電磁場(chǎng)仿真。值得指出的是，由于接頭效應(yīng)的存在，使得一級(jí)阻抗變換器同軸線的長(zhǎng)度不為中心頻率的1/4波長(zhǎng)，阻抗也不為純電路仿真得到的20.7Ω[8]。

使用HFSS對(duì)帶接頭的偏移同軸線部分進(jìn)行電磁場(chǎng)仿真，文獻(xiàn)[9]給出了HFSS的基本原理和使用方法。在HFSS中，對(duì)稱(chēng)邊界描述了理想電壁或者理想磁壁對(duì)稱(chēng)面，應(yīng)用對(duì)稱(chēng)邊界條件，可以使得在構(gòu)造結(jié)構(gòu)時(shí)僅構(gòu)造一部分，這就減小了設(shè)計(jì)尺寸，降低了復(fù)雜度，縮短了求解問(wèn)題的時(shí)間。帶接頭的偏移同軸電纜部分為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，它由21個(gè)完全相同的部分組成。因此在建模中只需構(gòu)造偏移同軸電纜部分結(jié)構(gòu)的1/21，這樣大大地節(jié)省了仿真所需要的時(shí)間[10]。HFSS里的建模模型如圖2所示。

圖2 帶接頭的偏移同軸線HFSS建模

將HFSS模型導(dǎo)入Ansoft的電路仿真軟件Designer中對(duì)左右2個(gè)部分進(jìn)行聯(lián)合仿真優(yōu)化，得到分配器右邊同軸線的長(zhǎng)度和阻抗值。聯(lián)合仿真得到的輸入端口的回波損耗值如圖3所示，帶內(nèi)優(yōu)于-20dB。

圖3 聯(lián)合仿真?zhèn)鬏斕匦?/p>

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

功分器整體的結(jié)構(gòu)像一個(gè)八爪魚(yú)，上面是一根較粗同軸線，下面均勻分出21根同軸線。采用如下結(jié)構(gòu)形式實(shí)現(xiàn)。

1.2.1 阻抗變換器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

二級(jí)阻抗變換器采用分開(kāi)制造的結(jié)構(gòu)形式。一級(jí)阻抗變換器就是一根均勻鋁棒，在其末端加工M8螺紋；二級(jí)阻抗變換器的接頭部分留有M8的螺孔。二級(jí)變換器制造完成后可以像螺釘與螺母一樣旋合在一起組成完整的功分器。此種方法降低了阻抗變換器的加工難度，提高結(jié)構(gòu)尺寸的精度，保證具有良好的電性能。

1.2.2 封裝外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用整體外殼封裝的形式，將功分器裝入外殼后，在二級(jí)阻抗變換器的端口安裝蓋板完成封裝。兩端采用N型頭與SMA型頭的接插件將射頻信號(hào)引出為可測(cè)試端口。

結(jié)構(gòu)的電磁兼容設(shè)計(jì)是重點(diǎn)。文獻(xiàn)[11]給出了復(fù)雜電磁環(huán)境下的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法。封裝的圓形腔體在不與同軸線接觸的情況下要盡可能小，保證腔體在設(shè)計(jì)頻率范圍內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生自諧振現(xiàn)象而影響功分器的電性能[12]。采用CST微波工作室軟件能夠仿真得出腔體是內(nèi)否存在自諧振現(xiàn)象，文獻(xiàn)[13]給出了CST軟件的原理和使用方法。

采用CAD軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)[14]，多路微波功率分配器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖4所示。

圖4 多路微波功率分配器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2 關(guān)鍵技術(shù)及需要解決的問(wèn)題

2.1 應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)

聯(lián)合仿真技術(shù)的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)精確設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。對(duì)一級(jí)阻抗變換器進(jìn)行電路仿真，對(duì)二級(jí)阻抗變換器進(jìn)行電磁場(chǎng)仿真。將電磁場(chǎng)仿真的結(jié)果導(dǎo)入電路仿真中，將二級(jí)阻抗變換器連接起來(lái)，在包含2種仿真模式的環(huán)境里對(duì)級(jí)聯(lián)的2個(gè)阻抗變換器進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，這樣能夠真實(shí)反映工程使用下的電磁環(huán)境。如此得到的數(shù)值雖與理論值有所差異，但卻是工程實(shí)現(xiàn)中的復(fù)雜電磁環(huán)境的最佳值[15]。

2.2 同軸線在封裝殼內(nèi)如何固定的問(wèn)題

為了穩(wěn)定，同軸線必須固定在外殼上，而這個(gè)固定方式不能采用金屬件進(jìn)行連接。首先，考慮使用塑料件對(duì)同軸線固定。將塑料載體放入電磁場(chǎng)仿真環(huán)境時(shí)發(fā)現(xiàn)其對(duì)整體電性能同樣會(huì)有細(xì)微影響。為了確保外界條件零影響，采用只有連接器與同軸線相連接、內(nèi)部不加固定物的形式達(dá)到將其與外殼進(jìn)行連接。功分器多達(dá)22個(gè)連接器(1個(gè)N型連接器和21個(gè)SMA型連接器)，而同軸線采用鋁材，重量較輕，22個(gè)連接點(diǎn)能夠保證同軸線在腔體內(nèi)的穩(wěn)定性。

2.3 射頻連接器與阻抗變換器如何連接的問(wèn)題

另一個(gè)難點(diǎn)在于如何將射頻接插件與阻抗變換器連接并固定在外殼上。操作可行性決定了二級(jí)阻抗變換器的對(duì)外連接不能都采用焊接的方式。二級(jí)阻抗變換器很細(xì)，和SMA插頭之間除了焊接外，似乎沒(méi)有其他方法。因此，問(wèn)題就聚焦在N型頭與一級(jí)阻抗變換器如何相連上。

針對(duì)此問(wèn)題，選用一款型號(hào)為N-KFD105G+的N型接插件，此接插件連接段帶有螺紋。機(jī)加工時(shí)，可以在一級(jí)阻抗變換器的頂端預(yù)留螺紋孔?？傃b時(shí)，先將二級(jí)阻抗變換器與SMA型頭焊接在一起，裝入殼體后，在一級(jí)阻抗變換器端將N型頭旋入固定，由此解決安裝問(wèn)題。

3 仿真結(jié)果分析

按照仿真的結(jié)構(gòu)參數(shù)，實(shí)際制作了一個(gè)樣件，采用Agilent8753網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 樣件傳輸特性測(cè)試結(jié)果

由圖5可以看出，插入損耗在頻率高端逐漸變差，1 300MHz為0.8dB；回波損耗在頻率兩端略差，800MHz為-15dB，1 300MHz為-12dB。

與仿真結(jié)果對(duì)比，850～1 250MHz頻段內(nèi)二者基本一致，頻率低于850MHz與高于1 250MHz時(shí)插入損耗與回波損耗指標(biāo)均有不同程度的惡化。

分析原因主要有以下3點(diǎn)：

① 仿真中采用的是理想端口，而在樣件中采用的是N型與SMA型接頭，接頭與阻抗線之間相連存在著阻抗不匹配性，這就導(dǎo)致了指標(biāo)與仿真結(jié)果的差異；

② 樣件中二級(jí)阻抗變換器較細(xì)，在加工及鍍涂過(guò)程中由于操作不當(dāng)?shù)仍驑O易變形，變形后的二級(jí)阻抗變換器即使手動(dòng)復(fù)位仍會(huì)對(duì)功分器產(chǎn)生影響。

③ 聯(lián)合仿真中使用的是理想電壁與理想磁壁，而在工程實(shí)現(xiàn)中無(wú)法達(dá)到理想狀態(tài)，同軸線之間的影響以及腔體的效應(yīng)也是造成實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果存在差異的原因。

4 結(jié)束語(yǔ)

同軸線功率分配器具有低損耗、高一致性等其他形式功率分配器所沒(méi)有的優(yōu)點(diǎn)。提出的多端口微波功率分配器的快速設(shè)計(jì)方法，同時(shí)也是一種有足夠設(shè)計(jì)精度的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)的產(chǎn)品不需要調(diào)試，節(jié)省調(diào)試時(shí)間，降低了產(chǎn)品的成本。該方法可廣泛應(yīng)用于多路微波功率分配器的設(shè)計(jì)。

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張文梁 男，(1982—)，工程師。主要研究方向：射頻與微波。

于志波 男，(1977—)，高級(jí)工程師。主要研究方向：射頻與微波。

Fast Design of Multi-way Microwave Power Divider

ZHANG Wen-liang1，YU Zhi-bo2

(1.ChinaCommunicationsSystemCo.,Ltd.HebeiBranch,ShijiazhuangHebei050081,China; 2.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

Aiming at the problem of multi-way power dividing, such as high insertion loss and low power-handling capability, a novel way of realizing fast design of multi-way microwave power divider has been described. This design approach uses the united simulation method by electronic circuit and electromagnetic field. It takes the advantages of both the electronic simulation software and electromagnetic field simulation software to reduce simulation time and improve simulation precision. A 21-way coaxial-line microwave power divider is designed, and the index measurement is conducted to prove the feasibility of this method. At the end, the causes for the difference between the test result and the simulation result are analyzed in detail.

microwave;power dividing;united simulation;coaxial-line

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.05.22

張文梁,于志波.多路微波功率分配器的快速設(shè)計(jì)[J].無(wú)線電工程,2017,47(5):91-94.[ZHANG Wenliang,YU Zhibo.Fast Design of Multi-way Microwave Power Divider[J].Radio Engineering,2017,47(5):91-94.]

2017-02-23

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(“863”計(jì)劃)基金資助項(xiàng)目(2015AA7111087)。

TN626

A

1003-3106(2017)05-0091-04