階梯阻抗變換寬帶功分器設(shè)計

本文介紹了λ/4階梯阻抗變換實(shí)現(xiàn)寬帶功分器方法。設(shè)計了6-18GHz一分二帶狀線功分器，2-18GHz一分二帶狀線功分器，6-18GHz一分四帶狀線功分器，仿真結(jié)果和測試結(jié)果有很好的一致性，表明設(shè)計是成功的。該產(chǎn)品性能完全達(dá)到了國外Elisra公司先進(jìn)水平。

1 引言

功率分配器是將輸入功率分成相等或不相等的幾路功率輸出的一種多端口微波網(wǎng)絡(luò)，它在系統(tǒng)中起著信號分配或合成的作用，廣泛應(yīng)用于天線的饋電系統(tǒng)中。

2 理論分析

拓寬功分器帶寬常用的方法是多節(jié)階梯阻抗變換，也可用漸變線阻抗變換。在多節(jié)階梯阻抗變換器中，各阻抗階梯所產(chǎn)生的反射波彼此抵消，于是匹配的頻帶得以展寬。多節(jié)階梯阻抗變換器中最常用的是每節(jié)長為四分之一波長的變換器。

N節(jié)2路寬頻帶功分器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 N節(jié)2路寬頻帶功分器結(jié)構(gòu)圖

3 電路設(shè)計

本文設(shè)計了三種寬帶帶狀線功分器，功分器的主要指標(biāo)如表1所示。

表1 功分器的指標(biāo)要求

在我們要求的三種不同的功分器中，頻帶為6-18GHz的功分器倍頻程為3，頻帶為2-18GHz的功分器的倍頻程為9。以下為6-18GHz一分二帶狀線功分器設(shè)計的過程：

（1）查表得到功分器各節(jié)歸一化阻抗值和隔離電阻值為： Z1=1.1497，Z2 =1.4142，Z3=1.7396；R1=8.0000，R2=4.2282，R3=2.1436。

（2）電路中采用Rogers RT/Duriod 5880作為帶狀線的介質(zhì)板，介電常數(shù)為2.2。先用Agilent ADS中的LineCalc工具計算各段金屬帶線初始尺寸，得到各段帶線寬度為：W0=1.25mm，W1=1mm，W2=0.68mm，W3=0.44mm；1/4波長阻抗線長度為4.2mm，以此作為初值。

（3）采用三維電磁仿真軟件Ansoft HFSS對功分器進(jìn)行仿真，如圖2所示，并對參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。功分器的插入損耗、端口駐波比和隔離度仿真結(jié)果見圖3、圖4和圖5。

圖2 帶狀線功分器仿真模型

圖3 6-18GHz一分二功分器插入損耗

圖4 6-18GHz一分二功分器端口駐波比

圖5 6-18GHz一分二功分器隔離度

4 測試結(jié)果

按照上面的理論分析結(jié)合仿真結(jié)果，試制了6-18GHz一分二功分器、2-18GHz一分二功分器、6-18GHz一分四功分器等三種寬帶帶狀線功分器，使用Agilent公司的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試，其測試結(jié)果見圖6、圖7和圖8。

圖6 6-18GHz一分二功分器測試結(jié)果

圖7 2-18GHz一分二功分器測試結(jié)果

可以看出，仿真結(jié)果和測試結(jié)果變化趨勢相同但在某些頻帶內(nèi)稍有偏差，造成誤差的主要原因可能有加工誤差、裝配和接地不良等因素。但功分器的整體性能良好，在要求的頻帶范圍內(nèi)插入損耗、端口駐波比和隔離度等指標(biāo)都滿足要求。

圖8 6-18GHz一分四功分器測試結(jié)果

5 結(jié)論

本文給出了多級阻抗級聯(lián)的寬帶帶狀線功分器準(zhǔn)確設(shè)計方法，并在三維電磁仿真軟件HFSS下進(jìn)行仿真和優(yōu)化，最后對試制的三種功分器進(jìn)行了測試，測試結(jié)果仿真結(jié)果有很好的一致性。該產(chǎn)品性能達(dá)到國外同類產(chǎn)品先進(jìn)水平。利用三維電磁仿真軟件可以大大縮短研發(fā)周期，節(jié)約成本，有著很好的實(shí)用價值。

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