T型槽加载扼流器设计

宋展鹏，曹卫平，葛连富，唐 琦

(桂林电子科技大学 信息与通信学院，广西 桂林 541004)

0 引言

由于同轴线具有良好的屏蔽性及传输特性，常用作射频系统的传输线。当用同轴线直接向平衡天线馈电时，其外表面会产生不平衡电流，导致平衡天线两臂上电流分布不对称[1]。

目前常用的巴伦主要有扼流套、对称式平衡器、U型环和渐变式平衡器等[2]。4种平衡巴伦中，前3种对频率较为敏感，需要λ/4的长度或附加相移线段来实现，因此工作频带较窄、尺寸大；渐变式平衡器具有宽带特性，但平衡器需要λ/2的渐变结构，不利于小型化设计。除了上述几种常见的方法外，研究人员还采用在金属板两侧开I型槽及L型槽并加载集总电容[1]构成的扼流结构对天线进行扼流，或使用铁氧体磁环来进行扼流[2]，又或者在同轴线上级联多个同轴扼流套[3]来对天线进行扼流等3种结构来进行扼流。但采用铁氧体扼流需要较大的接触面积，其物理尺寸较大，增加了天线的重量与尺寸[4-6]。后2种结构为了达到较好的扼流效果，也需要较大的物理尺寸[7]。

本文设计了一种T型槽加载集总电容的宽带小型化扼流器。T型槽相对于L型槽结构可以实现更大的感性，通过加载电容后，扼流器可以在更小的尺寸内实现宽带高阻抗特性。

1 扼流器理论分析

扼流器原理类似于一个带阻滤波器[8]。窄带带阻滤波器用并联LC电路等效，电路结构如图1所示。

图1 并联谐振电路

当其工作于谐振频率时：

jωC=jωL/(R2+ωL2)。

(1)

此时阻抗为：

Z(ω)=L/RC。

(2)

因此，当电路处于谐振状态时，呈现出高阻抗特性，阻断电流通过[9]。由于LC并联谐振电路Q值较高，因此带宽窄，为了展宽带宽，可采用多个谐振电路级联结构[10-11]。

2 扼流器结构设计

考虑到介质板加工的可行性、简易程度以及介质板对各种天气环境的适应能力，扼流器选用介电常数为4.4，厚度为1.6 mm的FR4介质板进行仿真设计[12]。

一组T型槽电流分析如图2所示。扼流器仿真端口设置阻抗为50 Ω，为使端口匹配，扼流器2个端口采用渐变锥形结构，并且背面地板开2个对称U型缝隙来进行匹配。由于电磁波的趋肤效应[12]，高频电流沿着金属层边缘流动，图2(a)中用箭头表示电流流动方向。可以看到在T型槽左半边，金属层边缘与缝隙边缘构成一段终端短路的传输线，其等效为一个电感。当在槽边缘加载电容后，可从电流流经路径分析，其与短路线构成并联谐振环。而T型槽右半边构成的短路线对左半边短路线进行补偿，对扼流器的阻抗具有调节作用，可展宽扼流器带宽。由传输线理论可知，小于λ/4的终端开路传输线可等效为容性。图2(b)中在T型槽开路端加载电容后，可等效为延长开路端路径，实现了小型化设计。

文献[3]中，天线采用在地板上开轴对称L型缝隙来进行扼流，有效遏制了地板寄生电流，提高了天线性能。但为了得到较好的扼流效果，L型槽长度需要达到λ/4，并且带宽较窄，尺寸较大，不利于小型化宽带化设计。本文采用不等长T型缝隙并加载电容来实现小型宽带扼流器设计，最长T型槽长度为0.03λ。图3为扼流器整体结构示意图。通过仿真优化，扼流器结构参数值如下：L1=200 mm，L2=25 mm，L3=22 mm，L4=10 mm，L5=50 mm，W=1.64 mm，W1=22 mm，W2=20 mm，W3=2 mm，W4=14 mm，W5=1 mm。加载电容值如表1所示。扼流器等效电路如图4所示。

图2 一组T型槽电流分析

图3 扼流器整体结构示意

图4 T型槽加载电感等效电路

表1 加载电容值

电容C1C2C3电容值/pF252016

3 仿真及测试结果分析

根据上述的设计原理，用CST电磁仿真软件建模，并进行仿真优化设计。图5给出了扼流器的S参数仿真曲线。由图5可以看出，扼流器在220～400 MHz(相对带宽为58%)的频带范围内S21小于-12 dB，即具有12 dB的衰减效果，S11基本接近0 dB，表明由1端口馈入的信号基本被截断。

图5 仿真S参数

使用矢量网络分析仪对扼流器进行双端口S参数测试。图6为扼流器实测S参数值，可以看到实测数据与仿真曲线趋势基本一致，且均小于-12 dB，但与仿真值还有一定的差异。主要原因如下：① 仿真使用的理想材料、环境与实际测试不可避免存在差异；② 扼流器模型仿真和实物测试时馈电位置的不同，导致仿真模型的阻抗与实际天线的端口阻抗有较大差别，从而造成天线实物测试结果与仿真结果存在一定差异；③ 实际应用中使用SMA接头馈电，在频率相对高时也会带来相应的损耗等影响[13]。

图6 实测S参数

由仿真与测试结果看到，扼流器工作频带由多个谐振点组成，与上节分析的多组并联谐振环级联结构吻合[14-15]。图7为220 MHz扼流器从1端口馈入信号时的表面电流分布仿真结果。由图7可以看出，当信号从1端口输入时，电流在左侧第二对槽达到最大，之后往端口2传输开始衰减。

图7 220 MHz表面电流

为了体现扼流器的扼流效果，在CST中将扼流器正面中心轴线紧贴在左侧振子上，如图8(a)所示，并设置频点f1(220 MHz)监视器来观察天线两臂上电流分布。图8(b)为电流分布仿真图，可以看到天线加载扼流器后，左侧电流明显受到了抑制，因此表明扼流器具有良好的电流抑制作用[16-18]。扼流器实物正反面如图9所示。

图8 电流仿真

图9 扼流器实物正反面

4 结束语

针对VHF/UHF频段扼流器在实际应用中存在的体积问题，设计了一款结构简单，改进型的宽带扼流器。扼流器由轴向对称的T型槽及槽末端加载集总电容构成，在带内具有12 dB的衰减特性。相对于传统扼流巴伦来看，该扼流器能在横纵向尺寸相对较小的情况下，实现了在宽频带内较好的衰减特性，并且仿真与测试结果基本吻合，具有一定的工程实用性。