一分十六宽带层压介质带状线功分器

江 文,程海荣,陈晓鹏

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京 211153)

一分十六宽带层压介质带状线功分器

江 文,程海荣,陈晓鹏

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京 211153)

介绍了威尔金森功分器的设计方法,研制了一种相对带宽为21%的一分十六层压带状线功分器。仿真和测试结果表明,该功分器具有很好的低驻波、高幅相一致性和高隔离度等电性能。由于其特殊的层压结构,并通过印制板周围打金属过孔来防止电磁泄漏干扰,省略了屏蔽盒,使功分器具有结构紧凑、质量轻和加工简单的优点,适用于特定的工程领域。

层压带状线功分器;宽带;高幅度一致性;高隔离度

0 引 言

随着微波集成技术的发展,印刷阵列天线由于其自身独特的优点已广泛应用于现代雷达及通信等领域,其中高性能的多级馈电网络是实现大型印刷阵列的关键技术之一。典型的多级馈电网络由威尔金森功分器及分支线耦合器等构成,其实现形式有微带线和带状线。

通常,低功率情况下采用威尔金森微带线功分网络,为了提高隔离度,在微带线的表面焊接隔离电阻。[1]由于微带线的场是半开放的,辐射比较严重,为了防止电磁泄漏,在工程应用中利用金属盒罩住微带功分器,从而导致功分器的整体尺寸变大,质量加大。在高功率情况下则采用威尔金森金属带状线功分网络[2-3]。该结构加工难度大、安装要求高、加工成本高以及质量大。随着军事电子科技飞速发展,武器装备的多功能与小型化,对系统的集成度提出了越来越高的要求。通过在雷达馈电电路部分采用层压带状线代替传统的单层微带板电路可以有效提高雷达系统的集成度、稳定性、可靠性。

本文设计了一种对于功率要求不是很高的层压介质带状线功分器。由于其特殊的层压式结构,该功分器不需要金属盒,具有加工简单、成本低和质量轻等优点。利用SIW金属过孔或者金属包边能进一步防止电磁干扰和泄漏,可以广泛应用于特定的工程领域。

1 理论分析

如图1所示三端口功率分配器,它是在T形结构基础上发展起来的。该功分器的结构简单紧凑,理论上可以提供任意功分比,而且输出端口彼此隔离,隔离度比较高。图中R是隔离电阻,通常用铬合金或电阻粉等材料制成的薄膜电阻。当信号从端口1输入时,功率从端口2和端口3输出。只要设计恰当,两输出端口可按一定比例分配,并保持电压同相,此时电阻R中没有电流,不吸收功率。若端口2或端口3稍有失配,则有功率反射回来,可被电阻R吸收,从而保证两输出端有良好的隔离,并改善输入端的匹配。等分与不等分功分器的基本公式推导可以参考文献[4]。

图1 Wilkinson功分器结构示意图

2 介质带状线功分器的设计

一分十六介质功分器的结构图如图2所示,介质板尺寸为60 mm*700 mm,介质板的介电常数为2.55,厚度为2.032 mm。中间层金属导带和上下两层接地面的金属厚度均为0.035 mm,适当增加金属层的厚度可以提高介质带状线的最大承受功率。所有馈电端口均在同一侧,介质板上下层为接地面,中间为导带,导带弯折是为了减小尺寸。为了提高隔离度,每一个功分器需要焊接一个电阻,所以需要在导电带的上层挖掉一块介质和一块接地面,挖掉的介质和接地面的大小为4 mm*3 mm,如图3所示。把尺寸为1 mm*2 mm、阻值为100 Ω的电阻焊接其中。电阻焊完后,再把一块直径为6 mm的金属圆块焊接在接地面上堵住挖掉的部分。

图2 一分十六功分器结构图

图3 一分二功分器结构图

由于挖掉了一部分介质,该位置的导带阻抗值会变大,增加导带宽度可以使其阻抗值基本保持不变。通过仿真,导带宽度增加了0.1 mm。根据功分器的设计公式,取W1=1.5 mm,对应阻抗为50 Ω；W2=0.7 mm,对应阻抗为71 Ω；W3=1.6 mm,对应阻抗为50 Ω。

三层金属、两层介质的带状线是通过两个介质板层压而成,两个介质板之间涂覆了一层很薄的粘合胶水。该胶水对介质板的综合介电常数有影响,最终可能会使功分器的损耗偏大。

3 测试结果

测试的驻波如图4所示,最大的驻波为1.27,在宽的频带内驻波比较小,与仿真的最大驻波1.25比较吻合。

图4 驻波(仿真曲线--,测试曲线—)

测试的插入损耗曲线如图5所示,插入损耗为13.4～13.8 dB,带内起伏为0.2 dB,仿真的插入损耗为12.8 dB,实测的损耗比仿真大0.8 dB。损耗偏大原因有两方面:一是介质板层压所采用的胶水损耗较大,把胶水的介电常数和损耗代入仿真,损耗增加了0.5 dB;二是功分器端口所用的SMA连接器具有一定的损耗,损耗大约为0.2 dB。

测试端口相位如图6所示,16个端口相位最大差值仅为3°,相位一致性比较好。隔离度曲线如图7所示,隔离度小于-20 dB,隔离度比较好,如果不加隔离电阻,隔离度只有-7 dB。

图5 插入损耗(仿真曲线--,测试曲线—)

图6 测试的16个端口相位曲线

图7 末级8个端口间的隔离度(仿真--,测试—)

4 结束语

本文所设计的层压式介质带状线功分器,在21%的相对工作带宽内,具有很好的低驻波、高幅相一致性和高隔离度等电性能。利用SIW金属过孔省去了金属屏蔽盒,具有加工简单、价格低、质量轻等优点。介质板表面镀金或者铬,能防止氧化,特别适用于特殊工程应用领域。除了损耗偏大外,测试结果与仿真结果比较吻合,证明了本文设计的有效性。

[1] 朱大勇,傅世强. 一种改进型Wilkinson功分器的设计[J]. 现代电子技术,2013(16):131-132.

[2] 陈军,张轶江.大型带状线功分器小型化的新方法[J].中国科技信息,2009(15):143-144.

[3] 刘新琼,杨林,杨娟. S波段大型功分馈电网络[J].空间电子与技术,2010,7(1):101-104.

[4] David M Pozar.微波工程[M].张肇仪,等译.北京:电子工业出版社,2009.7.

A one-to-sixteen port broadband laminated dielectric stripline power divider

JIANG Wen, CHEN Hai-rong, CHEN Xiao-peng

(No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

The design of the Wilkinson power divider is introduced, and one-to-sixteen port laminated stripline power divider is developed with the relative bandwidth of 21%. The simulation and test results show that the power divider has low VSWR, high consistency of the amplitude and phase, and high isolation. In order to prevent electromagnetic interference and leakage, the SIW metal via hole is used in the dielectric plate. Owing to the special laminated structure, the power divider features compact structure, light weight and simple machining, and it is applicable to the specific engineering field.

laminated stripline power divider; broadband; high consistency of amplitude and phase; high isolation

2017-03-01;

2017-04-03

江文(1987-),男,工程师,硕士,研究方向:天线技术与微波器件;程海荣(1977-),女,高级工程师,硕士,研究方向:波导天线及微波器件;陈晓鹏(1989-),男,工程师,硕士,研究方向:微带天线。

TN626

A

1009-0401(2017)02-0034-03