一种一分八微带扇形功分器的设计与实现

张丽娟

（中国西南电子技术研究所，四川 成都 610036）

0 引言

导引头[1-6]是安装在导弹上的目标跟踪装置，用来操纵导弹飞行。近年来，随着工程化程度不断深入，结合先进的毫米波制造加工工艺，毫米波机扫大功率导引头得到了飞速发展。而低噪声放大器是导引头接收系统的关键部件，在导引头中处于开关和限幅器之后，接收来自雷达目标的回波信号，在发射期承受来自发射机的泄露信号，处于复杂的电磁兼容环境之中。

在毫米波大功率导引头中，由于低噪声放大器本身能够承受的最大输入功率均比较小，一般为十几dBm 即几十毫瓦[7-8]，而发射机所发射的信号可能超过几百瓦，这样，发射的信号很有可能会通过天线、环形器或开关泄露到接收机中，从而烧毁低噪声放大器。与此同时，接收前端也需要低损耗低噪声，并且接收前端的动态范围[9]直接影响导引头的抗干扰能力[10-11]和盲区距离[12]。

导引头接收前端要同时实现抗大功率烧毁和大的动态范围是非常困难的，而常规方案中，基本都是使用可以抗大功率烧毁的器件，如铁氧体开关[13]、限幅组件[14]、放电管等，而这些器件都是要么体积特别大，要么差损特别大，不符合低噪声和小型化的要求。而本文采用多路限幅低噪声放大器功率合成技术，即设计一分八扇形微带功分器，功分8 路后，每一路采用限幅器和低噪声放大器放大信号，之后再用与之相匹配的合成器将信号合成。

基于以上背景，本文设计了一种工作在Ka 频段的毫米波微带一分八扇形功分器以及对应的合成器，配合限幅器低噪放使用，用于毫米波接收前端来实现抗烧毁和低噪声的功能。该功分器结构简单紧凑，尺寸小，插入损耗小，并且相位一致性较好，特别适用于用低噪声系数的导引头接收前端。

1 微带一分八扇形功分器理论设计

本文由传统标准的四个二等分功分器和一个一分四微带功分器组成，如图1 所示，二等分功分器属于无耗非互易网络。设计微带功分器不仅要设计微带线端口阻抗匹配，还要考虑到实际加工，如采用介电常数为2.2、厚度为0.127 mm 的软基片，微带线的理论极限一般是在20 Ω～120 Ω 之间，并且输入输出两端要保证是50 Ω 端口匹配。确定了输入输出，就可以通过阻抗变换来计算功分器的各个部分的阻抗值。

图1 一分八微带扇形功分器

如图1 所示，Zin和Zout是功分器输入输出端口阻抗，均为50 Ω，即Zin=Zout=50 Ω。

根据微波理论，传输线上的任意位置输入阻抗和负载阻抗间的关系是：

为了使功分器结构小型化，设计采用阻抗倒置变换器，也就是式(1)中，即:

一分八功分器输出端口阻抗Zout=50 Ω，Zin3处输入阻抗为俩个输出端口阻抗并联，则:

Zin2与Zin3之间的阻抗线采用四分之波长阻抗倒置变换器，根据阻抗倒置变换器公式计算，则:

由于100 Ω 直接转换到50 Ω 会带来阻抗不连续性，因此采用了微带渐变线，阻抗由50 Ω 渐变到100 Ω。

Zin1处阻抗Z3为4 个100 Ω 阻抗并联，即:

一分八功分器输入阻抗也是标准的50 Ω，Zin=Z1=50 Ω，同样使用阻抗倒置变换器,有：

至此，一分八功分器的所有阻抗理论计算已经完成，将理论设计好的功分器采用ADS 进行版图仿真。本文采用的软基片，介电常数为2.2，损耗角正切tanδ=0.000 9，软基片厚度0.127 mm。微带一分八扇形功分器输入输出都添加端口，用ADS 软件进行版图仿真。按照计算的各阻抗仿真，各个通道间的幅度一致性相差比较大，在本文需要的频带34 GHz～36 GHz 内，幅度一致性约为0.7 dB，幅度一致性指标较差。

通过分析发现，对于一分八功分器，微带线传输，阻抗Z3处靠边的传输功率大，信号强度大，插损比较小，而中间支路信号强度小，插损大，因此，需要加宽中间支路的微带线。当然也可以将两边的高阻抗微带线变细使得各支路间插损相差不大，但是需要特别注意的是，微带线越窄，影响越大，因此，本文还是将中间的微带线加粗，如图2 所示，使功分器各支路损耗尽量保持一致，各路比较均衡。

图2 加粗中间两路高阻抗微带线

调整过后，不断地迭代优化，最终幅度(Magnitude)仿真结果如图3 所示，相位(Phase)仿真结果如图4 所示，驻波(VSWR)仿真结果如图5 所示。可见，优化后带内幅度一致性指标改善为0.2 dB 左右，大大提升了带内幅度一致性。

图3 优化后的幅度图

图4 优化后的相位图

图5 优化后的驻波图

2 微带一分八扇形功分器在大功率导引头中的应用

整个接收前端原理框图如图6 所示，主要包括一分八扇形功分器、限幅器芯片、低噪声放大器芯片和八路合成器。

图6 接收前端原理框图

高功率射频输入信号进入导引头接收前端，首先通过一分八扇形功分器，等功分为8 路射频信号，每路信号功率降低为输入大功率信号的1/8，之后每路信号再经过限幅器限幅，然后输入低噪声放大器放大后再经过与之适配的八路合成器，功率合成一路射频信号后输出。

一分八扇形功分器的设计是抗大功率烧毁和大的动态范围导引头接收前端的技术难点，它的性能优劣直接关系到接收前端的抗烧毁功率、噪声系数以及动态范围等关键指标。

首先必须要保证一分八扇形功分器每一路的插损以及相位一致，不然会导致每一路的输出功率差别太大，其中功率较大的支路可能会烧毁后面的限幅器芯片，继而只剩下7 路工作，需要承受更高的功率，就会导致更多路的限幅器损坏，更多路不能正常工作，直接影响系统的抗烧毁功率指标；同时，每一路需要等功分，因为8 路均等功分可以使接收前端的动态范围提高9 dB，如果出现不均等功分的情况，功率较大支路上的低噪声放大器会提前饱和，影响接收前端乃至整个系统的动态范围；其次还要保证每一路的插损尽可能小，因为它处于接收机的最前面，插损大小直接影响接收前端乃至整个系统的噪声系数。

常规的单路限幅低噪放需使用高抗烧毁功率的限幅器和低噪放，大大增加了器件的设计难度。从上面的工作原理可以看出，本文采用8 路限幅低噪放功率合成技术，可以大幅度降低每一路限幅器芯片的输入功率，从而大幅提高了接收前端的抗烧毁功率指标，与常规的单路限幅放大方案相比，抗烧毁功率提高了9 dB；本方案还大幅提高了合成输出信号的1 dB 压缩点，当接收机噪声系数一定时，动态范围指标比常规方案提高9 dB；除此之外该方案省去了射频保护开关，完全避免因时序出错而烧毁接收机的情况，同时接收机可以保持持续的工作状态，大幅缩短接收机的恢复时间。

3 实物展示

基于毫米波多路限幅低噪声放大器功率合成技术的接收前端实物图如图7 所示，该实物采用了本文设计的微带一分八扇形功分器，整个接收前端结构紧凑，体积小重量轻，测试抗烧毁功率指标为48 dBm，重量为20 g。

图7 接收前端实物图

4 结论

基于一分八微带扇形功分器关键电路设计的毫米波低噪声接收前端，解决了大功率导引头收发前端在小型化和低噪声前提下实现抗大功率烧毁的难题，在保证噪声系数和重量指标的前提下，将抗烧毁功率提高9 dB，输入P-1指标提高6 dB。

该型接收前端的研制成功以及一分八扇形功分器的技术突破能够加速毫米波机扫大功率导引头的发展，该类导引头能够有效增加导弹的作用距离、反隐身作战能力以及抗干扰能力，减小盲区距离，提高系统工作可靠性，具有显著的军事应用价值。目前导引头领域装备量巨大，而基于毫米波多路限幅低噪声放大器功率合成技术的接收前端的技术特点可以满足机扫大功率导引头的迫切需求，而且在雷达和电子对抗领域也有巨大的推广应用价值，因此具有广阔的应用前景。