宽带功分网络分析与设计

陆东一(苏州卫生职业技术学院　江苏苏州　215009)



宽带功分网络分析与设计

陆东一
(苏州卫生职业技术学院江苏苏州215009)

摘要:采用奇偶模分析法推导得到两级级联功分网络在给定工作带宽时的最佳归一化功分臂特征阻抗值和隔离电阻值，并比工作带宽为80%的二级功分器为例进行了电路设计和实验测试。实验结果显示，在3～7 GHz频率范围内，功分器输入、输出回波损耗分别大于18.8 dB和21.1 dB，隔离度大于30 dB。该方法对任意频段的级联功分网络均可适用。关键词:奇偶模;宽带;功分器

0　引言

功分器是将输入功率分为相同或不同的几路功率输出的微波网络，在相控阵雷达、功率合成等微波系统中具有广泛的应用。宽频带、小型化一直是微波射频电路的研究热点，随之对功分器带宽要求也越来越高，展宽带宽的一个重要方法就是级联功分网络结构。本文采用奇模式分析法，计算得到给定工作带宽时，两级级联功分器的功分臂阻抗值和隔离电阻值，并以工作带宽等于80%为例，设计、制作、测试了3～7 GHz的宽带级联功分器。

1　功分器奇偶模分析

一个两级级联的功分器电路模型如图1所示。

图1　功分网络原始模型

根据奇偶模分析原理，偶模时Vg2=Vg3，奇模时Vg2=-Vg3。由于电路上下对称，偶模时中心线呈现开路(O.C.)特性，奇模时呈现短路(S.C.)特性，如图2(a)、(b)所示。进一步简化电路，得到简化后的功分器奇偶分析电路模型如图2(c)、(d)所示。

图2　功分网络奇偶模分析

根据传输线理论，功分器偶模反射系数和奇模反射系数分别为:

其中s=jtan θ，θ为传输线电长度，随工作频率变化，Z1、Z2、R1、R2为归一化阻抗。这样，可以得到完整功分器三个端口的反射系数为ρ1=ρe，ρ2=ρ3=，功分器隔离度为。两级功分器的反射系数有个传输零点，令传输零点处反射系数为零，可以得到:

其中:为功分器工作带宽，Z1通过切比雪夫级联传输线阻抗变换表格［1］得到，Z2=2/Z1。由此可以得到给定工作带宽w时两级功分器归一化传输线阻抗Z1和Z2、归一化隔离电阻R1和R2的值，以及此时功分器的回波损耗S11和S22、隔离度I。详细计算结果见表1所列。实际应用中根据工作带宽w选择功分器最佳回波损耗和隔离度。

表1　两级功分器不同带宽时归一化阻抗与性能列表

2　电路设计与测试

根据前文分析结果，设计了工作带宽w=80%的二级功分器电路。由表1可得二级功分臂归一化阻抗为Z1=1.233 9，Z2=1.620 9，特征阻抗Z0=50Ω时，Z1=61.7Ω，Z2=81.0Ω。基片选择Rogers RT/duroid 5880，相对介电常数2.2，厚度0.508mm。这样可以得到功分臂的微带线宽W1=1.12 mm，W2=0.69mm，特征阻抗为50Ω的微带线宽W0=1.56 mm。设计功分器中心频率5 GHz，则四分之一波长的功分臂长度为11.0 mm。为了减小转弯处电容效应，直角转弯处采用45°外斜切，切边长度为微带线宽的1.06倍，为最佳斜切率［2］。由表1归一化隔离电阻R1=4.499 7，R2=2.044 1，特征阻抗为50Ω时R1=225Ω，R2=102Ω，实际电阻中选择R1=220Ω，R2=100Ω。经过优化微调后，最终电路模型如图3 (a)所示，整体电路尺寸11mm×22mm。

两级功分器S参数测试结果如图3(b)所示。在3～7 GHz频率范围内，插入损耗小于3.4 dB，考虑3 dB分配损耗后电路损耗小于0.4 dB。输入回波损耗大于18.8 dB，输出回波损耗大于21.1 dB，隔离度大于20.0 dB。

图3　二级宽带功分电路(带宽w=80%)

3　结论

本文采用奇偶模式分析方法对两级级联的功分网络进行了研究。采用奇偶模激励，将功分器简化为为奇模等效电路和偶模等效电路，采用传输线理论计算奇模反射系数和偶模反射系数，进而得到功分器整体电路的回波损耗、隔离度。通过级联传输线理论，得到功分臂的特征阻抗值，通过反射系数在传输零点处为零得到隔离电阻值。这样，给定功分器工作带宽，就可以计算出最佳回波损耗和隔离度时两级级联功分器的所有参数值。该方法对任意频段功分器均可使用，并且可以推广至两级以上的超宽带功分网络［3］。

参考文献:

［1］L.Young.［Tables for cascaded homogeneous quarterwave transformers］.IRE Trans.Microw.Theory Tech，Apr.1959:vol.MTT-7，no.3，pp.233-237.

［2］Moore J.［Ling H.，“Characterization of a 90°microstrip bend with arbitrary miter via the time-domain finite differencemethod］.IEEETrans.Microw.Theory Techn.，April 1990:Vol.38，Issue 4，pp.405-410.

［3］Y.Xu and R.Bosisio.［Design of multi-way power divider by using stepped-impedance transformers］.IEEE Trans.Microw.Theory Techn.，Sep.2012:vol.60，no.9，pp.2781-2790.

Analysis and Design of Broadband Power Divider

LU Dongyi
(Suzhou Health College，Suzhou 215009，China)

Abstract:In this paper，normalized arm impedance and isolation resistor of the two cascaded power divider network is calculated by using even and odd mode analysis while the operating bandwidth is given.Further，the operating bandwidth of 80%of the power divider is designed and measured.Experimental results show that in the frequency range 3～7 GHz，the input and output return loss are greater than 18.8 dB and 21.1 dB，isolation greater than 30 dB.The method for any frequency band power divider network can be applied.

Key words:even and odd modes;broadband;power divider

作者简介:陆东一(1986-)，男，工程师、助理研究员，主要研究方向:电子信息

收稿日期:2015-09-16

中图分类号:TN 402

文献标志码:A

文章编号:1672-2434(2016)01-0029-03