王爍 吳純杰 江良 董麗元
(1.天津科暢慧通信息技術(shù)有限公司 天津市 300300 2.天津仁愛學(xué)院 天津市 301636)
功分器全稱功率分配器,是將輸入信號(hào)分成相等或者不等的多路信號(hào)輸出的一種多端口微波器件,即將發(fā)射功率按照一定比例分配到各發(fā)射單元,其在射頻通訊系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。Wilkinson功分器是其中一種常見功分器,不僅有良好的幅度相位特性而且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便。
電子不停車收費(fèi)(ETC)的相控陣天線單元通過對(duì)每個(gè)天線陣子的信號(hào)幅度和相位進(jìn)行調(diào)整,形成所期望的輻射方向圖,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)ETC車輛的實(shí)時(shí)通訊和交易。本文介紹的一分四不等比Wilkinson功分器是在一分二等比和一分二不等比功分器基礎(chǔ)上級(jí)聯(lián)而成,除了設(shè)計(jì)所要求的功分分配比例之外,考慮到系統(tǒng)相位調(diào)整,重點(diǎn)優(yōu)化四個(gè)輸出端口等相位差和駐波參數(shù),使用ADS進(jìn)行初步設(shè)計(jì),并用Sonnet進(jìn)行最終三維電磁仿真,制作實(shí)物并進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)基本吻合。
簡(jiǎn)單的等分功率分配器是一個(gè)三端口網(wǎng)絡(luò),且輸出端口無隔離電阻,不能夠?qū)崿F(xiàn)完全匹配,而Wilkinson功分器的對(duì)稱性保證了信號(hào)的平衡度,同時(shí)輸出端的隔離電阻R進(jìn)一步提高了輸出端口的隔離度和匹配度,同時(shí)通過改變兩個(gè)輸出分支線的特性阻抗,即可實(shí)現(xiàn)任意功分比的分配。圖1為Wilkinson功分器的基本電路結(jié)構(gòu)。
圖1:Wilkinson功分器基本結(jié)構(gòu)圖
任意功分比Wilkinson功分器的計(jì)算公式如下:
通過上述公式可計(jì)算不同功分比下的阻抗值,考慮實(shí)際加工中最小線寬為4 mil=0.1016 mm,通過Rogers公司軟件Microwave Impedence Calculator計(jì)算板材RO4350B-20MIL對(duì)應(yīng)阻抗值大約為133Ω,考慮到Z0A阻抗范圍應(yīng)該小于133Ω較為實(shí)際,其對(duì)應(yīng)功率差值范圍為-4dB~-5dB,即實(shí)際功分器兩路幅度不平衡度應(yīng)于此范圍較為合理。
本文所設(shè)計(jì)的功分器的技術(shù)指標(biāo)如下:
工作頻率范圍:5.83GHz~5.84GHz,四輸出端口功分比為:1:2.8:2.8:1,即端口3與端口2或者端口4與端口5功率差值均應(yīng)該≥4.5dB,相位不平衡度≤1°,端口駐波<1.5,隔離度≥15dB。
考慮到與天線陣子端口對(duì)稱,整個(gè)功分器采用一分二等比功分器和兩個(gè)一分二不等比功分器的級(jí)聯(lián)方案,該方案的相位平衡度控制也較為簡(jiǎn)便。
首先計(jì)算出中心頻點(diǎn)5.835GHz對(duì)應(yīng)特性阻抗Z0=50ohm的傳輸線寬度和四分之一波長(zhǎng)線長(zhǎng)度值,以及PA-PB=-4.5dB情況下計(jì)算得到功分器各部分的物理參數(shù),在ADS原理圖搭建一分二不等比功分器的初步模型,并優(yōu)化各部分分支寬度、隔離電阻走線寬度等變量參數(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)指標(biāo),一分二不等比功分器-4.5dB的仿真優(yōu)化結(jié)果S11=-32.137dB,S22=-23.376dB,S33=-24.522dB,S31-S21=4.5358dB,Phase(S31)-Phase(S21)=0.0847°。一分二等比功分器可借助ADS設(shè)計(jì)向?qū)瓿勺詣?dòng)化流程,即選擇模型DA_WDCoupler1至原理圖,借助工具DesignGuide里面的Passive Circult-Deign Assitant自動(dòng)生成整體設(shè)計(jì)。
表1:Sonnet仿真結(jié)果-幅度平衡度
表2:Sonnet仿真結(jié)果-相位平衡度
表3:功分器-駐波比
表4:功分器-隔離度
首先,將等比功分器和不等比功分器原理圖合入同一張圖,設(shè)置相關(guān)變量和電路優(yōu)化,完成初步的整體設(shè)計(jì),然后,將其原理圖生成至Layout圖,修改圖形后生成器件模型EM-Component-Creat EM Model and Symbol,最后,新建原理圖調(diào)入器件模型完成仿真操作,調(diào)整優(yōu)化過程需要在Layout修改和原理圖器件仿真之間反復(fù)操作。
整體結(jié)構(gòu)在協(xié)同仿真后,生成DXF文件導(dǎo)入Sonnet軟件,進(jìn)行進(jìn)一步微調(diào)和精確仿真??紤]到后面需要與天線陣子端口對(duì)稱,在功分器端口增加了TRL 1/4波長(zhǎng)線來優(yōu)化端口駐波和調(diào)整相位平橫度,并對(duì)1/4波長(zhǎng)線和級(jí)聯(lián)微帶線寬度和長(zhǎng)度重點(diǎn)優(yōu)化,Sonnet 3D視圖和仿真結(jié)果見圖2所示。
圖2:Sonnet 3D View
圖3:功分器實(shí)物圖
功分器的實(shí)物加工采用RO4350B作為介質(zhì)板,相對(duì)介電常數(shù)3.66,基板厚度0.508mm,隔離電阻選擇0603封裝,微帶線表面采用開窗處理,且地平面與走線避讓盡可能保證3W距離。
使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果如表5~表8所示。從表中數(shù)據(jù)可見,測(cè)試結(jié)果與Sonnet仿真結(jié)果較為接近,各項(xiàng)指標(biāo)基本滿足設(shè)計(jì)要求,器件焊接和相位校準(zhǔn)是導(dǎo)致相位平橫度指標(biāo)略微超標(biāo)的可能因素,同時(shí)隔離度和駐波比指標(biāo)可以通過隔離電阻的更換略微優(yōu)化。
表5:功分器-幅度平衡度
表6:功分器-相位平衡度
表7:功分器-駐波比
表8:功分器-隔離度
本文在一分二Wilkinson功分器基礎(chǔ)上,研究并設(shè)計(jì)了一分四不等比功分器,通過加工實(shí)物并進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果基本較為接近,基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。采用ADS原理圖協(xié)同仿真和Sonnet三維電磁仿真,利用兩種軟件的各自優(yōu)點(diǎn),進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和版圖優(yōu)化,最終確定了實(shí)物設(shè)計(jì)參數(shù)。該設(shè)計(jì)應(yīng)用在ETC相控陣天線單元,可以完成了對(duì)遠(yuǎn)中近交易區(qū)域的發(fā)射覆蓋和切換,大大提高了ETC車輛的交易成功率和客戶體驗(yàn)的滿意度。