一种实现宽频带功分器的新方法

第9期2004年9月

电　　子　　学　　报

ACTAELECTRONICASINICAVol.32　No.9

Sep.　2004

一种实现宽频带功分器的新方法

刘　涓1,2,吕善伟1

(11北京航空航天大学电子工程系,北京100083;21中国航工集团25所,北京1008)

　　摘　要:　通过运用连续渐变线代替多节阻抗变换器,实现了一种改进的宽频带功分器的设计与实现的形式和方法;功分器的设计利用平行耦合带状线,结合渐变线耦合形式,给出了宽频带等功率分配器的设计电路,同时通过有限元法仿真计算了散射矩阵的参数,并进行了实测,结果显示设计的功分器在9个倍频的宽频带范围内性能良好.采用该方法对于宽频带不等幅功分器的电路进行了设计,并给出了有限元仿真计算的散射矩阵参数的结果(包括幅度和相位),在超宽频带范围内较好地解决了功分器在幅度不等分的情况下的相位差大问题.

关键词:　耦合带状线;功分器;宽频带;渐变线中图分类号:　TN4;TN81412　　　文献标识码:　A　　　文章编号:　037222112(2004)0921527203

ANewMethodtoDesigntheWideBandSplitter

LIUJuan,LüShan2wei

(11Dept.ofElectronicEngineering,BeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Beijing100083,China;

21InstituteNo.25ofthe2ndAcadamy,CASIC,Beijing1008,China)

Abstract:　Anewmethodtodesignandanalyseawidebandsplitterispresented.Twowaysareputforward:oneisusingcontin2uouslytaperedlineinsteadofanexcessiveimpedanceconvertor,theotherisusingparallelcoupled2striplinetodesignthewidebandsplitter.Atthesametimethescattermatrixofthewidebandsplitterissimulatedbythefiniteelementmethodandtested.Theexperi2mentalresultsshowthattheperformancesofthefrequencyrangefrom2GHzto18GHzofthiswidebandsplitteraresatisfactory.Thesplitterswithasymmetricalmagnitudearedesignedusingthismethodandtheirscattermatrixesaresimulatedbythefiniteelementmethod.Theresultsshowthatthismethodrealizesthewidebandsplittersofthesuperiorcoherenceinequiphasewiththemagnitudeofasymmetricalpowerdivision.

Keywords:　coupled2stripline;splitter;wideband;tapered2line

1　引言

　　功分器是将输入信号功率分成相等或不相等的几路功率

输出的一种多端口微波网络.从理论上讲,无论是输出端间没有隔离的简单功分器还是有隔离的混合型功分器;也无论是功率等分的还是不等分的功分器,均可作成任意路数输出.但是,在平面型微波集成电路中,直接分成多路输出的只有简单功分器才能实现.混合型功分器,由于平面电路上要对称地安置几个隔离电阻在结构上有困难,一般只能作成两路的功分器.因此设计实用的新型功分器有实际价值[1].

大量的不同种类的功分器在天线阵和各种系统中得到应用.功分器可构成魔T、N路功分器、混合环定向耦合器等等[2].在微波分布式网络的设计时,一个功分器提供两个等相不等幅输出,文献[5]中显示的是一种输出功率比约115dB,频带宽度为115倍频,两个输出端口的相位差变化在1115倍频保持±4°.另一种实现两输出口隔离,幅度不相同而相位相等的功分器是由N路功分器组合形成:将N路输出端口的n

路合成,将剩余N2n路合成[3],经过Dolph2chebyshev渐变线转换到所需阻抗,在2～18GHz进行了测试,S11在4～18GHz范围小于-10dB,在端口间加有隔离电阻,但文中未提及两个端口相位差的问题,仅说明在等幅度的情况下能够保证同相位.文献[4]提出了一种N通道混合功分器,包括同轴和平面两种,其工作带宽2倍频,文中也未提及两个端口相位差的问题.

2　实现宽频带功分器的基本公式

　　为了拓宽功分器的频带常常采用的方法是多节阶梯变换节,也可用渐变线变换节.用渐变线变换节的优点是:当工作带宽一定时,长度一般比用多节阶梯变换器要短.

本文提出了一种实现宽频带功分器的新方法,通过采用连续的渐变线的变换而设计宽频带功分器.援引文献[5]的思路,在入射端口的反射系数与沿渐变线特性阻抗的对数之间建立傅里叶变换,入射口的反射系数为:

221/2

cos[(βl)-A]β

ρρ(1)=e-jlp0p

coshA

收稿日期:2003204214;修回日期:2003210228

基金项目:国家自然科学基金资助(No.60271012)

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　　此处ρl为转换电长度;参0p为频率为0时的反射系数,β

数A决定了在通带的最大反射系数;ρop/coshA为在带宽范围内反射系数的最大幅度,通常出现在βl>A的情况下.

功分器采用带状线形式时,两个支路的设计采用常用的平行耦合带状线的分析方法[6,7].平行耦合带状线被广泛用于定向耦合器,巴伦,混合接

图1　平行耦合带状线的头,移相器和滤波器等等[8～11].

结构形式

其横截面结构形式如图1示.

耦合带状线在偶模状态下一条带线对地的特性阻抗为:e)30πK(k′(2)Z0e=

()Kkeεr其中K是第一类完全椭圆积分,εr是两个地板之间填充介质的相对介电常数,w、b和s是在图1中定义的结构尺寸.此处:

πwπw+s(3)ke=tanh・tanh

2b2b

k′e=

ln

Z0o(x)-ρ0e2x112

)-U(-x-)]=[Aφ(,A)+U(x-1/2

coshAl22Z0k

(9)

其中:k为耦合线的耦合系数;φ(z,A)=-φ(-z,A)=

∫A

0

z

I1(A1-y2)1-y2

dy,　|z|Φ1

(10)

式中I1是一阶第一类修正贝塞尔函数;U为单位阶梯函数:

U(z)=0,　z<0

(11)U(z)=1,　zΕ0

且有:2

(12)Z0e(x)Z0o(x)=Z0

(9)具体设计了等分功分器,并进行实验测试.在式(8)、

中的k取011717,εr为212,b为01508mm,利用公式(1)～(12)计算得到的耦合带尺寸形式绘于图3(a),其中端口①为功分器的输入和口,端口②、③为功分器的两个支口.

采用有限元法分析该电路的特性,在没有考虑隔离电阻的情况下计算和实测的散射参数|S11|、|S12|结果绘于图3(b),|S12|的计算与实测结果相吻合,|S11|变化趋势相同,但实测结果出现很大的波动,最大可能的原因是电路与接头连接处的不连续所引起.

1-k2e

(4)

对于在奇模状态下一条带线对地的特性阻抗为:

o)30πK(k′Z0o=

K(ko)εr此处:

ko=tanh

(5)

πwπw+s・cosh2b2b

k′o=

(6)(7)

1-k2o

当s成为无穷大

时,Z0e和Z0o均降为在两地板之间的一条带线的特性阻抗.图2显示的是Z0e和Z0o与s/b及w/b之间的关系.

我们利用这些基本公式结合定向耦合带状线的渐变形式可设计特性优良的功率分配器.

图3　功分器的结构形式及仿真和实测的S参数

312　不等功分比功分器

在此基础上,我们进一步进行了不等分功分器的设计,分

别计算了两输出支路的功率比为112(0179dB)和2(3dB),式(1)、(2)中的εr为212,介质基片的厚度为01508mm;仿真分析

图2　Z0e和Z0o与s/b及w/b之间的

关系图

3　宽频带功分器的设计与实验结果

311　等功分比功分器

时不考虑隔离电阻.

(9)中的k分别两输出支路的功率比为112时,在式(8)、

取011946,011504,利用式(1)～(12)计算得到的功分器的电路尺寸形式见图4(a).采用有限元法分析散射参数|S11|、|S12|、|S13|的结果绘于图4(b).从图中看到:频带在1GHz～25GHz范围内,两输出端口之间的相位差在-016°～116°以内.

利用前节公式设计两路等分功分器,令输入口的特性阻抗为Z0,支路的终端阻抗为2Z0.

将特性阻抗作为沿渐变耦合线的距离x为函数的解[5]为:

ρZ0e(x)0e2x)1)1)2

ln=[Aφ(,A+U(x--U(-x-]-1/2

coshAl22Z0k

(8)

图4　功分比为112的功分器及S参数计算结果

第　9　期刘　涓:一种实现宽频带功分器的新方法1529

(9)中的k则分当两输出支路的功率比为2时,在式(8)、

别取012679,01101,利用公式(1)～(12)计算得到的功分器的电路尺寸形式见图5(a).采用有限元法分析散射参数|S11|、|S12|、|S13|的结果给于图5(b).从图看到:频带在1GHz～22GHz范围内,两输出端口之间的相位差在±215°以内;在1GHz～25GHz范围内,两输出端口之间的相位差在-4°～215°以内.

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4　结论

　　文中给出的宽频带功分器的设计方法和仿真计算的结

果,对等功分的功分器进行了实际生产和测试,结果显示在宽频带范围内性能良好.本文提出的设计方法对于不等幅功分器的设计和分析,从计算结果看到:该设计方法在宽频带范围内能够较好地解决功分器在幅度不等分的情况下的相位一致的问题.

鉴于在功分器的两个输出口之间未加隔离电阻,输出口之间的隔离较小.但相比传统的多节阻抗变换器而言,采用连续的渐变线的变换与平行耦合带状线相结合实现宽频带功分器的结构尺寸小、输入口的匹配特性得到明显提高.参考文献:

[1]　顾其诤,项家桢,袁孝康.微波集成电路设计[M].北京:人民邮

作者简介:

刘　涓　女,1968年出生于陕西西安,1986～1993年于东南大学学习并获学士和电磁场与微波技术专业硕士学位,毕业后在航天机电集团二院二十五所负责天馈系统方面课题,现为高级工程师,从事射频超宽频带系统的设计研究等,

1999年9月于北京航空航天大学攻读博士学位,2004年4月获博士学位.

电出版社,1978,5.

[2]　LIParad,RLMoynihan.Split2teepowerdivider[J].IEEETranson

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吕善伟　男,1937年生于辽宁大连,北京航空航天大学教授、博士生导师,天线专业委员会委员,北京航空航天大学电子专业副主任等,主要从事射频、微波天线与系统方面的教学与科学研究工作.