基于雙級(jí)阻抗變換的1分32路Wilkinson功分網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

文/李鵬程

1 引言

功分網(wǎng)絡(luò)是相控陣?yán)走_(dá)中的重要組成部件，近年來(lái)，隨著毫米波的迅速發(fā)展，低剖面、寬帶化且易于與微波電路集成等逐漸成為國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)和學(xué)者的研究熱點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了一種基于雙級(jí)波導(dǎo)腔-微帶線混合型Wilkinson單元的寬帶功分網(wǎng)絡(luò)，工作頻段范圍可跨越Ku和 K波 段（Ku:14.5～ 16.5GHz；K:21.4-22.9GHz），加工后實(shí)測(cè)端口駐波控制均優(yōu)于1.5，幅度和相位均方根誤差分別控制在0.5dB和5°以下。

2 1分2雙級(jí)寬帶Wilkinson功分器仿真設(shè)計(jì)

Wilkinson功分器由于具備其輸出各端口之間可以在保證匹配前提下同樣具備高隔離度的顯著優(yōu)勢(shì)而用途廣泛。以單級(jí)1分2的功分單元為例，由于微帶傳輸線的工作帶寬限制，傳統(tǒng)的Wilkinson功分器相對(duì)帶寬為10%，針對(duì)相控陣?yán)走_(dá)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的Ku及K波段（14.5GHz-22.9GHz，相對(duì)帶寬為45.3%），傳統(tǒng)Wilkinson功分器往往很難滿足該需求。在本設(shè)計(jì)中引入了雙枝節(jié)λ/4阻抗變換線，構(gòu)成了雙級(jí)Wilkinson功分器結(jié)構(gòu)，使其工作帶寬滿足超寬帶工作需求。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。圖1中， Z1、Z2分別代表的兩段λ/4阻抗變換線的特性阻抗，其長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)諧振頻率分別為16GHz和22GHz，故而可以在14GHz-23GHz的頻段范圍內(nèi)形成了參差調(diào)諧，從而可實(shí)現(xiàn)寬帶工作；此外，圖1中，Port1、Port2和Port3的端口均通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的SMP射頻連接器與其他模塊進(jìn)行互聯(lián)，故而Z0=50Ω，欲使各端口獲得好的駐波比，且端口之間具備良好的隔離度，就必須使其各段枝節(jié)線特性阻抗以及吸收電阻阻值的分配符合契比雪夫分布。經(jīng)計(jì)算，取近似值可以得到，第一節(jié)傳輸線特性阻抗Z1=87Ω；并聯(lián)電阻阻值R1約為100Ω；第二節(jié)傳輸線特性阻抗Z2=62Ω；并聯(lián)電阻阻值R2約為200Ω。

參照?qǐng)D1，利用三維仿真軟件ANSYS HFSS 15.0對(duì)該單元功分模型進(jìn)行全波仿真分析，該模型中印制板材料為Arlon AD320A(tm)，厚度為10mil（0.254mm），為了給集總電阻元件提供足夠安裝空間，Z1、Z2對(duì)應(yīng)的λ/4阻抗變換線長(zhǎng)度分別為2.75mm、2mm；此外，該模型載體為銅鋁合金材料，故而在仿真模型中邊界條件可設(shè)置為PEC。最后，仿真優(yōu)化得到該1分2單元的耦合系數(shù)的幅度、相位及各端口的駐波。各個(gè)端口均可實(shí)現(xiàn)良好的匹配效果，其駐波均可以保證在1.26以下；在要求頻段（14.5-16.5GHz，21.4-22.9GHz）范圍內(nèi)，其相位一致性均可以保證在0.5°以內(nèi)；仿真得到的幅度一致性均可控制在0.02dB以內(nèi)，指標(biāo)優(yōu)良。故而，以此單元功分器形式為基礎(chǔ)，進(jìn)而級(jí)聯(lián)構(gòu)成1分32的功分網(wǎng)絡(luò)模型。通過(guò)合理布局及優(yōu)化，輸出端口間距均設(shè)定為9mm。

3 功分網(wǎng)絡(luò)（1分32）測(cè)試結(jié)果

根據(jù)仿真模型加工，其輸入端口為側(cè)饋形式，輸出端口均為背饋形式，如圖2所示。利用安捷倫矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，測(cè)試頻率范圍：10MHz-43.5GHz）進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試功分網(wǎng)絡(luò)時(shí)，除去被測(cè)端口外，其他端口均接入50歐姆匹配負(fù)載。

經(jīng)測(cè)試，輸入輸出端口的駐波均保持在1.3以內(nèi)；在14.5～16.5GHz和21.4～22.9GHz的頻段范圍內(nèi)，其相位誤差均方根均可以保證在4.7°以內(nèi)；其幅度誤差均方根可控制在0.3dB以內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖1：雙級(jí)Wilkinson功分器仿真模型圖

圖2：Wilkinson功分網(wǎng)絡(luò)腔體未封裝實(shí)物圖

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一款基于雙級(jí)阻抗變換的寬帶Wilkinson功分網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)采用介質(zhì)-波導(dǎo)混合腔結(jié)構(gòu)，工作頻段可跨越Ku和K波段（Ku:14.5～16.5GHz；K:21.4-22.9GHz）；隨后，對(duì)該網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了加工并實(shí)測(cè)，其副相均方根誤差均可滿足指標(biāo)要求，同時(shí)，其所有端口駐波均優(yōu)于1.45，可作為寬帶功分網(wǎng)絡(luò)模塊運(yùn)用于磚式相控陣天線中，該設(shè)計(jì)也為類(lèi)似頻段，且寬帶工作需求的功分網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。