一种新型的毫米波段高隔离度平面功分器

戚珑赢，尚文明，刘 洪，张英浩

（中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京211153）

0 引 言

在毫米波电路中，平面功分器作为一种重要的器件在T／R组件、混频电路、功率分配电路等方面发挥着重要的作用。常见的平面功分器如Wilkinson功分器，因其设计简便且具有良好的幅度相位特性在毫米波集成电路中被广泛地应用，其最常使用的结构如图1所示［1］。电磁信号由端口1输入，经过阻抗变换段由端口2和端口3输出，两输出端口中间是隔离电阻。输入端口和两个输出端口阻抗均为Z0，隔离电阻的阻抗一般取2Z［2］。0

当该型功分器工作在低频段时（低于Ka频段），可以在端口2和端口3之间加入隔离电阻以实现两输出端口的良好隔离［2］；在频率较高时，如W波段，由于功分器结构尺寸较小，隔离电阻无法安装，隔离度较差。采用波导魔T、耦合环等结构虽然可以实现两端口的高隔离度，但是由于其结构的原因，一些情况下在混合电路中难以集成；采用分支线定向耦合器，由于其输出存在90°的相差，在一些情况下也无法使用，且W波段分支线定向耦合器的仿真效果并不理想。目前3 mm波段分支线定向耦合器尚没有报道。

图1 Wilkinson功分器示意图

本文通过改进Wilkinson功分器设计，同时结合微带魔T相关的设计经验［3］，使用缺陷地结构，设计出一种可工作于W波段的平面功分器。该功分器具有驻波好、隔离度高、方便在电路中集成等优点。

1 电路设计

如图2（a）所示，该结构由两部分组成。第1部分为改进型Wilkinson功分器（图中微带线部分），位于Rogers5880介质基板的正面。第2部分为环形吸收槽线（图中槽线部分），位于介质基板的背面。端口1为输入端口，端口2和3为输出端口。

图2 高隔离度平面功分器模型（a）和奇模激励时槽线电磁场（b）

运用奇偶模理论对上述结构进行分析。当偶模激励时，端口2和3的信号等幅同向，槽线中心面相当于一磁壁，槽线不被激励，信号在端口一合成输出。当奇模激励时，端口2和端口3的信号等幅反相，槽线中心面相当于一电壁，槽线被激励。由于槽线的末端是环状结构，信号由槽线进入环形槽后被等分为两路大小相等、相位相差180°的信号。这两路信号在环形槽线中传输到达AA′处时，等幅反向的两路信号相遇抵消，如图2（b）所示。设计的重点和难点在于环状槽线的设计和微带⁃槽线的过渡段设计。在设计中，可以分为4个步骤：（1）设计改进型 Wilkinson功分器；（2）设计环状吸收槽线；（3）根据功分器的微带线尺寸和槽线的尺寸，设计微带—槽线过渡段；（4）联合仿真。

用微带线和槽线的特性阻抗计算公式以及λg／4阻抗变换公式计算得出了微带线和槽线的尺寸。

微带线特性阻抗：

槽线特性阻抗［4］：

阻抗变换公式：

其中，εr为介质基板相对介电常数，w为微带线宽，h为介质基板厚度。

本模型设计使用Rogers5880介质基板。该基板相对介电常数εr＝2.2，厚度h＝0.127 mm，损耗角正切tanσ≤0.001。在理论计算的基础上，通过采用HFSS仿真软件进行仿真和优化得到了最佳尺寸。

HFSS建模和仿真计算结果如图3和图4所示。

图3 HFSS建模图形

仿真结果表明，该模型3个端口的回波损耗均优于21 dB，隔离度大于22 dB，插损小于4.4 dB，且两输出端口幅度平衡度小于0.04 dB，相位平衡度小于0.6°。对于常规Wilkinson功分器，输出端口间隔离度约为8 dB（HFSS仿真数据）。因此，改进后的功分器，其端口间隔离度提升14 dB以上。

图4 功分器S参数（a）和幅相一致性（b）

为测试该结构的性能，在图3所示模型基础上加入波导⁃微带探针过渡（W波段S参数测试仪使用矩形波导接口），并在HFSS中进一步做优化设计。根据仿真的尺寸数据，设计功分器印制板图见图5，微带线和槽线分别位于Rogers5880介质基片正面和背面，基板厚度0.127 mm。完成装配后的功分器实物图见图6。功分器的金属腔体使用铝材质，表面做导电氧化处理。

图5 功分器基板加工图

图6 功分器实物照片

2 测试结果

测试原理框图见图7。测试系统由矢网（型号AV3672B，频段10 MHz～26.5 GHz）、控制机（AV3640A）和S参数测试模块（型号AV3645）组成。测试时使用校准件对测试系统和测试所需的波导转接器进行校准，被测件的空闲端口接匹配负载。

图7 测试原理框图

测试结果如图8所示。测试结果表明，该结构在92～96 GHz频带内，S21约6.5 dB，去除探针过渡插损2 dB［5］和 3 dB 耦合度，功分器的插损约为 1.5 dB，回波损耗大于20 dB，隔离度大于15 dB。

图8 测试数据

与HFSS仿真计算结果相比，插损偏大约0.8 dB，隔离度偏低约6 dB。这与加工和装配精度有关，比如Rogers基板是手工粘贴到铝制腔体，探针过渡段的微带尺寸仅为0.4∗0.56 mm2，粘贴时微小的误差会导致插损和隔离度的恶化。此外，电磁信号的空间串扰也是导致隔离度恶化的原因。

3 结束语

本文设计了一种新型平面功分器，通过引入槽线过渡和环形槽线，显著提升端口间隔离度。该结构解决了毫米波段尤其是W波段因功分器结构尺寸小、无法加入隔离电阻而导致端口间隔离度差的问题。仿真结果表明，相比常规Wilkinson功分器，该模型端口间隔离度提高14 dB以上，同时该结构具有良好端口回波损耗和输出端口间幅度相位平衡度，样件的测试指标符合仿真结果。该结构设计简便，尺寸小，易于在平面电路中集成，工程实现性好。该结构可推广用于毫米波段，在频率稍低的Ka和V波段加工和装配的误差会更低，其模型的性能指标会更好。