一分六功分器的设计与实现

2016-11-28 03:30于洋
甘肃科技 2016年16期
关键词:功分器印制板驻波比

于洋

(甘肃长风电子科技有限责任公司,甘肃 兰州730070)

一分六功分器的设计与实现

于洋

(甘肃长风电子科技有限责任公司,甘肃 兰州730070)

设计制作了一个ku频段一分六功分器,进行理论模型计算后,利用仿真软件进行优化,加工电路板和金属壳体,使用改进的安装工艺,最终得到实物,测试其性能,验证了整个设计与实现过程的可行性。

电磁场与微波;功分器;高隔离度;带状线

功分器是一种常见的无源微波器件,在雷达、移动通信、卫星通信、医疗设备和微波测量仪器等领域有广泛的应用。宽频器件的工作能力在适用性和通用性上的突出表现,引起人们的关注,并呈现出大量的市场需求。本文根据实际工作中的需求,采用带状线传输形式和二级威尔金森功分模型,克服一级奇数功分难点,进行理论计算和全波模型仿真优化,实际加工制作,功分器的实测性能为工作带宽:4GHz,插入损耗:≤10.75dB,隔离度:≥25dB。

1 基本概念

功率分配器是最常见的射频/微波电路中的无源器件,用于将一路信号均分为多路信号,起着功率平均分配的作用,理论上一个信号输入经过功分器后平均分成两路输出会有3dB的信号衰减。常见的有二功分、三功分、四功分。功分器反向应用就成了合路器。功率分配器的输出端口之间应保证一定的隔离度。

插入损耗 (分配损耗),功率分配器的直通损耗,为所有路数的输出功率与输入功率的比值,或单路的实际损耗减去理想的分配损耗,理想的分配损耗为(dB)=10Log(1/N)。

隔离度,当主路接匹配负载时,各分配之路之间的衰减量比值为隔离度。

电压驻波比,又称驻波比,在均匀无耗传输线上,电压U的最大振幅与最小振幅之比,称作电压驻波比(VSWR或SWR)。

功率分配器分类:1)N功率分配器 (N=2、3、4……);

2)等分功率分配器和不等分功率分配器;

3)大功率分配器和小功率分配器。

2 实际需求

功分器的需求指标,具体如下:

频率不变,按1:6的比例进行功率分配,各输出端口要相互隔离,各输入输出端口要完全匹配。

频率范围:f0±2GHz,插入损耗≤11dB,隔离度:≥25dB,带内平坦度:±0.25dB,驻波比:≤1.7,外形尺寸 (长×宽×高):63mm×52mm×8mm,接头形式:SMP-J。外形如图1,2所示。

图1 功分器外形图

图2 功分器印制板示意图

2 设计原理

2.1 二功分器原理

简单的二等分功分器属于三端121网络,由于普通的无耗互易三端口网络不可能达到完全匹配,且输出端口间无隔离[1]。而在工程实现上对信道之

间的隔离要求很高,一次需采用混合型的功率分配器,即威尔金森型功率分配器。威尔金森的理论主要是在简单的功率分配器中引入了隔离电阻,从而实现了信号链路的匹配和高度隔离。它的原理在引入隔离电阻后,功率分配器变为有功耗的三端口网络。从三端口网络的基本性质可知,有功耗的三端口网络可以做到完全匹配且输出端口之间具有隔离,从而改善了普通功率分配器的不足。同样,该类型的功率分配器可以实现任意的功率分配比,且可方便地用微带线或带状线来实现。

二公分的功分器两路是对称的,所以功率是平分的。在现有的终端负载一般为50Ω。根据匹配原理,如图2种的第二级中,隔离电阻R接于输出端口2、3之间。由于结构对称,各路信号经过的电长度相同,因此在输出端口处于相同的电位,此时隔离电阻不消耗任何功率。如果信号由于驻波原因在输出端口产生反射,另一部分功率发射回输入端口,并在支线处重新分配传输至两个输出端口。由于阻抗变换线的长度为1/4波长,则两路发射信号到达端口时的电长度相差π,所以实现了幅度相等、相位相反、彼此相消,从而实现了各两输出端口之间的相互隔离。对于任意分配比的混合型功率分配器,隔离电阻的作用相同。

2.2 三功分器原理

简单的三等分功率分配器,我们可以先将功率按照1:2不等分,然后再将初次分配后的功率为2/3的一支二等分即可。

3 实现过程

3.1 布局与建模

根据指标要求,查阅文献[2],按照往常的设计经验,用我们选用二级级联威尔金森功分模式,第一级为一分三功率分配器,第二级为一分二功率分配器,使用rogers5880微波介质基板,上下层介质板厚度均为0.508mm,相对介电常数2.2。为保证各个端口之间的相位一致性,中间端口采用折线结构。整个印制板布局示意图如图2所示。

3.2 仿真与设置

采用HFSS电磁全波仿真软件对建模进行仿真分析。使用集总的激励方式,最大限度模拟实际情况。金属层使用模拟铜质材料,金属化过孔采用金属性质圆柱,隔离电阻采用矩形方块,定义集总属性,介质层设置选用软件集成的板材参数,电路板外用空气腔包裹,空气腔体外壁距离电路板边缘大于一个波长(取频率下限波长),空气腔体外壁使用辐射边界设置。以中心频点为基准,离散剖分模型,创建网格,计算参数收敛精度控制在0.02,如图3所示。

图3 仿真结果收敛曲线

3.3 制作与组装

印制板采用4层印制板加工工艺,即下层介质板为双面板,上层介质板为单面板,两层板材高温压合,这种形式加工精度高,传输线在介质中间与介质板紧密连接,降低传输损耗。为了方便端口与盒体连接器连接,在端口末端采用带状线转微带线形式,简化连接器与印制板组装。印制板上层介质板局部开窗,用于焊接隔离电阻。最终加工盒体和印制板部分如图4所示。

图4 双层印制板和下层盒体部件实物图

在调试时,要注意装配的正确性;重点调试输入输出端口的电压驻波比;注意适当改变输入输出端口的阻抗匹配。

4 实验结果

对成品的测试使用安捷伦公司的矢量网络分析仪E5071C对耦合器进行了测试。端口驻波比和插入损耗测试结果如图5、6所示。其他指标见表1。

图5 端口驻波比测试曲线

图6 插入损耗测试曲线

表1 功分器测试性能表

从图5、6和表1中可以看出,实测结果满足指标要求。

5 结束语

功率分配器由于拥有众多的优点,具有很好的功率分配性能,愈来愈受到设计人员的重视。随着研究的深入,功率分配器在微波电子系统领域中展现了广阔的应用前景。

本文给出了一种根据实际需求,参考相关资料,仿真设计和实现宽频功分器,并做了实验验证。参考文中的设计和实现过程,还可以推广到类似功分器的设计和实现。

通过上述工作,不但对功率分配器的研究和实现有着积极的意义,也使我对磁场理论和匹配的理论,微波集成电路有了更进一步的认识,为以后的工作和学习打下了良好的基础。参考文献:

[1] 清华大学《微带电路》编写组.微带电路[M].人民邮电出版社,1976.

[2] 甘本祓,吴万春.现代微波滤波器的结构与设计[M].科学出版社,1973.

[3] 程敏峰,刘学观.微带型Wilkinson功分器设计与实现[J].现代电子技术,2006,(20):25-26.

[4] 胡善祥,汪邦金.级联功分器分配/合成器功分器的优化设计[J].雷达与对抗,2007,(3):36-40.

[5] 魏峰,史小卫.一种改进型微带线定向耦合器及其应用[J].西安电子科技大学学报,2009,36(2):281-284.

[6] 赵晨星.奇等分微带功分器的仿真设计[J].电讯技术,2006, 48(7):77-79.

[7] 徐琰,韩淑萍,王俐聪.三种一分三路等功率分配器的性能比较[J].制导与引信,2012,33(3):41-45.

G232.3

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