一种超宽带功分器的设计

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  摘 要:文中采用多节Wilkinson 结构,研制了一个工作频段在2~8GHz的超宽带功分器,并使用ADS与HFSS 软件进行仿真和优化设计。在此基础上进行了实验验证,仿真结果和实物测试结果比较接近。测试结果表明该功分器工作频率内具有较好的性能指标,插入损耗小于3.5dB,端口回波损耗小于-15dB,输出隔离度大于20dB。
  关键词:超宽带;功分器;Wilkinson,HFSS
  中图分类号:TN626 文献标识码:A DOI:10.3969/j.issn.1003-6970.2021.02.045
  本文著录格式:杨晶晶,雒寒冰,张红英,等.一种超宽带功分器的设计[J].软件,2021,42(02):144-146
  A UWB Power Divider
  YANG Jingjing, LUO Hanbing, ZHANG Hongying, SHEN Xiaowei, SHEN Yafei
  ( Shanghai Aerospace Electronic Technology Institute, Shanghai  201109)
  【Abstract】:A UWB power divider with the frequency range from 2GHz to 8GHz is designed by using multi-class Wilkinson structure in this paper. The ADS and HFSS software are both used to simulate and optimize the power divider. A prototype of the power divider was fabricated and measured, the results of the simulation approximately coincide with the divider testing. The experimental results show excellent performance that the input-to-output insertion loss is less than 3.5 dB,the port return loss is more than 15 dB,and the output-to-output isolation is more than 20 dB in the operating frequency band.
  【Keywords】: UWB;power divider;Wilkinson structure
  0 引言
  隨着通信技术的发展,超宽带通信应用越来越广泛,其中对功分器的带宽需求也越来越高。功分器是在所需的带宽内,对功率进行比例分配,并做到各输入输出端口相互匹配,输入输出功率之间损耗尽可能小,且各端口间隔离度高[1]。超宽带功分器对阻抗匹配要求很高,研制具有一定难度。
  为了达到某中频接收机提出的超宽带功分器的设计指标要求,本文以Wilkinson结构的功分器为基础,采用多节阻抗变换器级联的方式,设计了一个超宽带功分器,仿真结果表明设计的超宽带功分器性能优良,满足设计指标要求。
  1 原理分析
  目前的宽带功分器通常采用微带线结构和带状线结构,带状线结构的功分器损耗小,各路信号的一致性好和可靠性高,但是对设计、加工精度和装配精度都有较高的要求,些许加工误差都会影响实物的性能,并且可调试性差[2]。而微带线结构的功分器结构简单,焊接调试方便,且便于和微波毫米波电路集成,所以这里采用微带线结构进行设计。
  微带功分器的具体结构形式很多,功分器常用的电路形式主要有三种:Ratrace型、Vranchline型和Wilkinson型,常使用的是Wilkinson功分器,它是在简单功分器的基础上,其输出端口增加隔离电阻R,变成有耗的三端口网络,从而实现各端口间的匹配以及输出端口间的隔离,进而改善功分器的性能[3]。基本的微带Wilkinson功分器的示意图见图1。
  由图1所示,输入与输出微带线的特征阻抗是系统阻抗Z0,输入信号从端口1进入,各路分支线的长度均为λ/4,两路信号所经过的电长度是相等的,所以到达端口2和3的输出信号是同电位的,因此,通过隔离电阻的电流为0,隔离电阻上无功率损耗。当某输出端口如端口3失配时,会有反射波折回:一路经过隔离电阻到达端口2;一路沿分支线到达端口1后再反射回来,沿另一分支线到达端口2。适当选择电阻以及焊接位置可以使两路信号的相位相差180度,幅度相等,方向相反,相互抵消,从而使输出端口实现隔离[4]。在二功分器中隔离电阻阻值为2Z0。
  Wilkinson功分器具有良好的幅度相位特性而且设计简便,是微波电路设计中常用的部件。然而单级Wilkinson功分器的带宽较窄,为实现宽频带需求,可使用用多级功分器进行级联,其工作原理与多级阻抗变换类似[5]。多节功分器是由四分之一波长线组成,在每节功分器尾端放置隔离电阻,功分器级数越多,工作带宽就越宽,隔离度也越高[6]。
  2设计目标
  本设计是基于Wilkinson型功分器结构,利用电磁场仿真和电路路仿真软件设计了一个2~8GHz 频段的功分器,具体设计指标如下:
  设计频率:2~8GHz;
  输入、输出驻波比:≤1.5;
  插入损耗:≤5dB;
  输出端口隔离度:≥15dB。
  3 仿真设计
  本文设计2~8GHz二等分超宽带功分器,根据工作频段选择了罗杰斯的TMM3基板,基板的介电常数为3.27,板厚为0.508mm。功分器的隔离电阻采用0603封装的贴片电阻。   首先根据各项指标,如工作频带,传输损耗,隔离度等要求[7],在ADS软件中Design Guide菜单里的passive circuit工具初步确定所需超宽带功分器的设计模型,分别设置工作频段、电路节数等参数,计算出功分器的各级线宽、线长和电阻的阻值。调整节数以满足带宽和传输损耗要求,用该设计模型我们首先对2GHz~8GHz超宽带二路功分器用ADS进行了设计和优化仿真,由此得到功分器的初始尺寸[8]。由于ADS采用的是二维结构的仿真办法,根据该初始尺寸在HFSS软件中进行3D建模,设置腔体和端口激励, 进行精确的仿真和优化。仿真结果跟ADS仿真结果有一定的偏差,HFSS是三维仿真,仿真结果更为精确。
  在HFSS软件中对功分器建模,设置四分之一波长线长度、微带线宽和隔离电阻为变量,Ln、Wn和Rn(n为1,2,3…)。改变各变量的值,通过优化仿真得到最优的设计结果。用HFSS软件进行仿真优化计算,优化后的隔离电阻的阻值分别为R1=110Ω,R2=190Ω,R3=270Ω,R4=360Ω,R5=470Ω。
  由仿真结果可知,该功分器在1.1GHz~8GHz频带内,驻波系数小于1.4,各个端口的匹配性能良好。在所设计频带内,传输损耗小于3.5dB,端口隔离度均大于20dB,输出端口在工作时基本不会相互影响,具有很好的隔离效果.仿真曲线见图3至图6。
  4 结语
  本文通过ADS和HFSS软件仿真,基于Wilkinson 功分器结构,设计了一种超宽带功分器;结合两种仿真软件的优点,有效缩短了研制周期[9],仿真结果的正确性提高了设计效率,且保证了精度。从设计的功分器的仿真结果可看出,在整个宽频带范围内性能良好,该功分器的各性能指标均满足设计要求,验证了该设计方法的可行性,同时本文的超宽带功分器在超宽带通信技术中也有很好的应用前景。
  参考文献
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