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        一種超寬帶功分器的設(shè)計(jì)

        2021-08-19 20:55:32楊晶晶雒寒冰張紅英沈曉唯沈亞飛
        軟件 2021年2期
        關(guān)鍵詞:功分器超寬帶

        楊晶晶 雒寒冰 張紅英 沈曉唯 沈亞飛

        摘 要:文中采用多節(jié)Wilkinson 結(jié)構(gòu),研制了一個工作頻段在2~8GHz的超寬帶功分器,并使用ADS與HFSS 軟件進(jìn)行仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,仿真結(jié)果和實(shí)物測試結(jié)果比較接近。測試結(jié)果表明該功分器工作頻率內(nèi)具有較好的性能指標(biāo),插入損耗小于3.5dB,端口回波損耗小于-15dB,輸出隔離度大于20dB。

        關(guān)鍵詞:超寬帶;功分器;Wilkinson,HFSS

        中圖分類號:TN626 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A DOI:10.3969/j.issn.1003-6970.2021.02.045

        本文著錄格式:楊晶晶,雒寒冰,張紅英,等.一種超寬帶功分器的設(shè)計(jì)[J].軟件,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

        隨著通信技術(shù)的發(fā)展,超寬帶通信應(yīng)用越來越廣泛,其中對功分器的帶寬需求也越來越高。功分器是在所需的帶寬內(nèi),對功率進(jìn)行比例分配,并做到各輸入輸出端口相互匹配,輸入輸出功率之間損耗盡可能小,且各端口間隔離度高[1]。超寬帶功分器對阻抗匹配要求很高,研制具有一定難度。

        為了達(dá)到某中頻接收機(jī)提出的超寬帶功分器的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求,本文以Wilkinson結(jié)構(gòu)的功分器為基礎(chǔ),采用多節(jié)阻抗變換器級聯(lián)的方式,設(shè)計(jì)了一個超寬帶功分器,仿真結(jié)果表明設(shè)計(jì)的超寬帶功分器性能優(yōu)良,滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

        1 原理分析

        目前的寬帶功分器通常采用微帶線結(jié)構(gòu)和帶狀線結(jié)構(gòu),帶狀線結(jié)構(gòu)的功分器損耗小,各路信號的一致性好和可靠性高,但是對設(shè)計(jì)、加工精度和裝配精度都有較高的要求,些許加工誤差都會影響實(shí)物的性能,并且可調(diào)試性差[2]。而微帶線結(jié)構(gòu)的功分器結(jié)構(gòu)簡單,焊接調(diào)試方便,且便于和微波毫米波電路集成,所以這里采用微帶線結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

        微帶功分器的具體結(jié)構(gòu)形式很多,功分器常用的電路形式主要有三種:Ratrace型、Vranchline型和Wilkinson型,常使用的是Wilkinson功分器,它是在簡單功分器的基礎(chǔ)上,其輸出端口增加隔離電阻R,變成有耗的三端口網(wǎng)絡(luò),從而實(shí)現(xiàn)各端口間的匹配以及輸出端口間的隔離,進(jìn)而改善功分器的性能[3]?;镜奈ilkinson功分器的示意圖見圖1。

        由圖1所示,輸入與輸出微帶線的特征阻抗是系統(tǒng)阻抗Z0,輸入信號從端口1進(jìn)入,各路分支線的長度均為λ/4,兩路信號所經(jīng)過的電長度是相等的,所以到達(dá)端口2和3的輸出信號是同電位的,因此,通過隔離電阻的電流為0,隔離電阻上無功率損耗。當(dāng)某輸出端口如端口3失配時,會有反射波折回:一路經(jīng)過隔離電阻到達(dá)端口2;一路沿分支線到達(dá)端口1后再反射回來,沿另一分支線到達(dá)端口2。適當(dāng)選擇電阻以及焊接位置可以使兩路信號的相位相差180度,幅度相等,方向相反,相互抵消,從而使輸出端口實(shí)現(xiàn)隔離[4]。在二功分器中隔離電阻阻值為2Z0。

        Wilkinson功分器具有良好的幅度相位特性而且設(shè)計(jì)簡便,是微波電路設(shè)計(jì)中常用的部件。然而單級Wilkinson功分器的帶寬較窄,為實(shí)現(xiàn)寬頻帶需求,可使用用多級功分器進(jìn)行級聯(lián),其工作原理與多級阻抗變換類似[5]。多節(jié)功分器是由四分之一波長線組成,在每節(jié)功分器尾端放置隔離電阻,功分器級數(shù)越多,工作帶寬就越寬,隔離度也越高[6]。

        2設(shè)計(jì)目標(biāo)

        本設(shè)計(jì)是基于Wilkinson型功分器結(jié)構(gòu),利用電磁場仿真和電路路仿真軟件設(shè)計(jì)了一個2~8GHz 頻段的功分器,具體設(shè)計(jì)指標(biāo)如下:

        設(shè)計(jì)頻率:2~8GHz;

        輸入、輸出駐波比:≤1.5;

        插入損耗:≤5dB;

        輸出端口隔離度:≥15dB。

        3 仿真設(shè)計(jì)

        本文設(shè)計(jì)2~8GHz二等分超寬帶功分器,根據(jù)工作頻段選擇了羅杰斯的TMM3基板,基板的介電常數(shù)為3.27,板厚為0.508mm。功分器的隔離電阻采用0603封裝的貼片電阻。

        首先根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo),如工作頻帶,傳輸損耗,隔離度等要求[7],在ADS軟件中Design Guide菜單里的passive circuit工具初步確定所需超寬帶功分器的設(shè)計(jì)模型,分別設(shè)置工作頻段、電路節(jié)數(shù)等參數(shù),計(jì)算出功分器的各級線寬、線長和電阻的阻值。調(diào)整節(jié)數(shù)以滿足帶寬和傳輸損耗要求,用該設(shè)計(jì)模型我們首先對2GHz~8GHz超寬帶二路功分器用ADS進(jìn)行了設(shè)計(jì)和優(yōu)化仿真,由此得到功分器的初始尺寸[8]。由于ADS采用的是二維結(jié)構(gòu)的仿真辦法,根據(jù)該初始尺寸在HFSS軟件中進(jìn)行3D建模,設(shè)置腔體和端口激勵, 進(jìn)行精確的仿真和優(yōu)化。仿真結(jié)果跟ADS仿真結(jié)果有一定的偏差,HFSS是三維仿真,仿真結(jié)果更為精確。

        在HFSS軟件中對功分器建模,設(shè)置四分之一波長線長度、微帶線寬和隔離電阻為變量,Ln、Wn和Rn(n為1,2,3…)。改變各變量的值,通過優(yōu)化仿真得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)結(jié)果。用HFSS軟件進(jìn)行仿真優(yōu)化計(jì)算,優(yōu)化后的隔離電阻的阻值分別為R1=110Ω,R2=190Ω,R3=270Ω,R4=360Ω,R5=470Ω。

        由仿真結(jié)果可知,該功分器在1.1GHz~8GHz頻帶內(nèi),駐波系數(shù)小于1.4,各個端口的匹配性能良好。在所設(shè)計(jì)頻帶內(nèi),傳輸損耗小于3.5dB,端口隔離度均大于20dB,輸出端口在工作時基本不會相互影響,具有很好的隔離效果.仿真曲線見圖3至圖6。

        4 結(jié)語

        本文通過ADS和HFSS軟件仿真,基于Wilkinson 功分器結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了一種超寬帶功分器;結(jié)合兩種仿真軟件的優(yōu)點(diǎn),有效縮短了研制周期[9],仿真結(jié)果的正確性提高了設(shè)計(jì)效率,且保證了精度。從設(shè)計(jì)的功分器的仿真結(jié)果可看出,在整個寬頻帶范圍內(nèi)性能良好,該功分器的各性能指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求,驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方法的可行性,同時本文的超寬帶功分器在超寬帶通信技術(shù)中也有很好的應(yīng)用前景。

        參考文獻(xiàn)

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        [3] 清華大學(xué)微帶電路編寫組.微帶電路[M].北京:人民郵電出版社,1976.

        [4] 朱英超,楊青慧,張懷武.超寬帶功分器的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)與軟件工程,2016(11):138.

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        [6] 陳茂林.2~4GHz 寬帶Wilkinson六功分器的仿真和設(shè)計(jì)[J].通訊世界,2018(7):62-63.

        [7] 杜姍姍,楊青慧,張懷武.1~18GHz超寬帶功分器的設(shè)計(jì)[J].壓電與聲光,2017,39(4):498-500.

        [8] 郭崢,池少騰,楊自強(qiáng).2~12GHz超寬帶功分器的設(shè)計(jì)[J].應(yīng)用科技,2015,42(4):34-37.

        [9] 趙蘭,廖斌.寬帶Wilkinson功分器的研制[J].材料導(dǎo)報,11,2007,21(11A):195-197.

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