李鵬程

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036)

0 引言

功分網(wǎng)絡(luò)是相控陣?yán)走_(dá)中的重要組成部件[1-2]，近年來(lái)，隨著毫米波的迅速發(fā)展，低剖面、寬帶化、小型化且易于與微波電路集成的功分網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)逐漸成為國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)和學(xué)者的研究熱點(diǎn)[3-5]。Wilkinson功分器由于其輸出各端口之間可以在保證匹配前提下具備高隔離度，而廣泛被應(yīng)用[6-8]。

以單級(jí)1分2的等功分單元為例，由于單枝節(jié)λ/4微帶線型阻抗變換線的限制[9-10]，傳統(tǒng)的Wilkinson功分器相對(duì)工作帶寬理論上很難超過(guò)10%。針對(duì)相控陣?yán)走_(dá)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的Ku及K波段(14.5～23 GHz，相對(duì)帶寬為45.3%)，目前大多數(shù)解決方案中，往往采用微帶線型[2-4]或基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)[11-12](SIW)的雙級(jí)或者多級(jí)阻抗變換結(jié)構(gòu)，此類(lèi)方案雖可較好解決帶寬需求，但是微帶線型與SIW結(jié)構(gòu)的微帶線部分均裸露于開(kāi)放空間中，無(wú)較好的屏蔽措施，在毫米波頻段的射頻性能極易受環(huán)境影響而不穩(wěn)定[13-15]，且多級(jí)阻抗變化以及SIW結(jié)構(gòu)占用較大的空間[16]，除此以外，上述結(jié)構(gòu)均采用側(cè)饋結(jié)構(gòu)，不利于功分網(wǎng)絡(luò)與其他模塊上下垂直互聯(lián)[17]。

針對(duì)上述設(shè)計(jì)難點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種基于雙級(jí)λ/4阻抗變化的Wilkinson單元的1分32路寬帶功分網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)采用便于集成的波導(dǎo)腔-微帶線混合型傳輸線設(shè)計(jì)，端口駐波均優(yōu)于1.5，幅度和相位誤差均方根分別控制在0.5 dB和5°以下。

1 雙級(jí)寬帶Wilkinson功分器設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的單枝節(jié)Wilkinson功分器模型，如圖1所示。僅有一段阻抗變換枝節(jié)，在此基礎(chǔ)上中引入了雙枝節(jié)λ/4阻抗變換線，構(gòu)成了雙級(jí)Wilkinson功分器結(jié)構(gòu)，使其滿足寬帶工作需求，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖1 傳統(tǒng)Wilkinson 功分器結(jié)構(gòu)

圖2 雙級(jí)Wilkinson 功分器結(jié)構(gòu)

圖2中，l1，l2分別代表的2段λ/4阻抗變換線的長(zhǎng)度，就單一枝節(jié)而言，其對(duì)應(yīng)諧振頻率分別為16 GHz和22 GHz，但單一工作帶寬無(wú)法突破10%的帶寬限制。由于上述2個(gè)諧振頻率間隔較近，當(dāng)2段枝節(jié)級(jí)聯(lián)到同一功分器時(shí)，就可以在14.5～23 GHz的頻段范圍內(nèi)形成參差調(diào)諧，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了寬帶工作。圖2所標(biāo)示Port1，Port2，Port3代表對(duì)外互聯(lián)端口，在工程應(yīng)用中3個(gè)端口均通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的SMP射頻連接器，與其他模塊進(jìn)行互聯(lián)(即Z0=50 Ω)，欲使各端口獲得好的駐波比，且任意端口之間具備良好的隔離度，就必須使其各段枝節(jié)線特性阻抗(圖2所示的Z1和Z2)以及吸收電阻阻值(圖2所示的R1和R2)的分配符合契比雪夫分布[1]。經(jīng)計(jì)算，取近似值可以得到，第一節(jié)傳輸線特性阻抗Z1=87 Ω，并聯(lián)電阻阻值R1約為100 Ω，第二節(jié)傳輸線特性阻抗Z2=62 Ω，并聯(lián)電阻阻值R2約為200 Ω。

2 波導(dǎo)腔-微帶線混合型Wilkinson功分器仿真

參照?qǐng)D2，利用三維仿真軟件ANSYS HFSS 15.0對(duì)該單元功分模型進(jìn)行全波仿真分析，仿真模型由2部分組成：

① 波導(dǎo)腔-微帶線混合型Wilkinson功分器單元：該部分作用在于實(shí)現(xiàn)1分2的等功分，且端口間相互隔離；

② 同軸轉(zhuǎn)接波導(dǎo)腔-微帶線混合型傳輸線部分：該部分將特性阻抗為50 Ω波導(dǎo)腔-微帶線混合型傳輸線結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成為特性阻抗為50 Ω同軸傳輸線結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)功分網(wǎng)絡(luò)射頻出口的背饋形式，便于與其他模塊上下垂直互聯(lián)及轉(zhuǎn)接。

整體仿真模型及尺寸標(biāo)注如圖3所示，波導(dǎo)腔-微帶線總高度h1=2 mm，模型中印制板材料為Arlon AD320A (tm)，相對(duì)介電常數(shù)為3.2，損耗正切角值為0.003 2，微帶介質(zhì)厚度h2=10 mil(0.254 mm)，介質(zhì)上方覆銅，覆銅層厚度為0.018 mm；圖3(a)中，為了壓縮體積尺寸，同時(shí)也為集總電阻元件R1，R2提供足夠安裝空間，2段阻抗變換線采用彎折環(huán)狀設(shè)計(jì)。如圖3(b)所示，特性阻抗Z1，Z2對(duì)應(yīng)的阻抗變換線長(zhǎng)度l1，l2分別為2.75 mm和2 mm，該模型結(jié)構(gòu)腔體材料為銅鋁合金。

圖3 Wilkinson功分器仿真模型

通過(guò)仿真優(yōu)化得到各端口駐波，如圖4所示。該Wilkinson功分器單元的S21和S31的幅度和相位如圖5所示。

圖4 雙級(jí)Wilkinson功分器單元各端口仿真駐波系數(shù)

圖5 雙級(jí)Wilkinson功分器各端口仿真幅相值

如圖4所示，各端口的均可實(shí)現(xiàn)良好的匹配效果，其駐波均可以保證在1.26以下；根據(jù)圖5(a)與圖5(b)所示，在頻段14.5～17.5 GHz及21～23 GHz范圍內(nèi)，2個(gè)輸出端口仿真得到的相位曲線圖基本重合，其相位一致性均可以保證在0.5°以內(nèi)；在圖5(c)中，仿真得到的2個(gè)端口幅度一致性均可控制在0.02 dB以內(nèi)，指標(biāo)優(yōu)良。以此單元功分器形式為基礎(chǔ)，級(jí)聯(lián)構(gòu)成1分32的功分網(wǎng)絡(luò)模型，仿真拓?fù)淠Ｐ腿鐖D6所示，通過(guò)合理布局及優(yōu)化，并考慮實(shí)際應(yīng)用中對(duì)應(yīng)的模塊間距，則輸出端口間距均設(shè)定為9 mm。

圖6 1分32功分網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D(1分32等功分)

3 功分網(wǎng)絡(luò)(1分32)加工及測(cè)試結(jié)果

根據(jù)仿真模型加工如圖7所示。結(jié)構(gòu)腔體采用銅鋁合金材料，印制板采用熱壓接技術(shù)緊固貼合于腔體槽內(nèi)，如圖7(a)所示。為避免功分網(wǎng)絡(luò)與相控陣天線其他模塊相互耦合影響，在網(wǎng)絡(luò)的腔體結(jié)構(gòu)件上表面采用銅板封裝，如圖7(b)所示。

圖7 Wilkinson功分網(wǎng)絡(luò)實(shí)物

該設(shè)計(jì)既可強(qiáng)化功分網(wǎng)絡(luò)在相控陣天線整機(jī)中的散熱性能，又便于功分網(wǎng)絡(luò)模塊與其他模塊集成，其輸入端口為側(cè)饋形式，輸出端口均為背饋形式，尺寸大小如圖7(b)所示。

利用安捷倫矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(型號(hào)：PNA-X Network Analyzer N5244A，測(cè)試頻率范圍：10 MHz～43.5 GHz)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試環(huán)境如圖8所示。測(cè)試功分網(wǎng)絡(luò)時(shí)，除去被測(cè)端口外，其他端口均接入50 Ω匹配負(fù)載(SMP接口形式)。

圖8 功分網(wǎng)絡(luò)實(shí)物測(cè)試

測(cè)試結(jié)果如圖9所示，輸入輸出端口的駐波均控制在1.3以內(nèi)；在14.5～17.5 GHz和21～23 GHz的頻段范圍內(nèi)，其相位均方根誤差可以保證在4.7°以內(nèi)，其幅度均方根誤差可控制在0.3 dB以內(nèi)。

圖9 功分網(wǎng)絡(luò)測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一款基于雙級(jí)阻抗變換的波導(dǎo)腔-微帶線混合型結(jié)構(gòu)Wilkinson功分網(wǎng)絡(luò)，工作頻段可跨越Ku和K波段。該方案從實(shí)際工程應(yīng)用角度出發(fā)，利用相控陣天線系統(tǒng)整體構(gòu)架及其結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的有利因素，首先利用微波仿真軟件進(jìn)行級(jí)聯(lián)仿真優(yōu)化，隨后采用熱壓接技術(shù)加工波導(dǎo)腔-微帶線混合型功分網(wǎng)絡(luò)，最后對(duì)功分網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了測(cè)試，幅度和相位均方根誤差分別控制在0.3 dB和4.7°以內(nèi)，所有端口駐波均優(yōu)于1.45。該設(shè)計(jì)易于加工，便于集成，且具有良好的電磁屏蔽效果，可作為寬帶功分網(wǎng)絡(luò)模塊應(yīng)用于相控陣天線中，該設(shè)計(jì)也為有類(lèi)似工作環(huán)境限制，且有寬帶工作要求的功分網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。