77GHz 毫米波雷達(dá)功分器設(shè)計(jì)

2016-11-22  by:CAE仿真在線  來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

1.引言

在當(dāng)前復(fù)雜的微波收發(fā)系統(tǒng)中,通常需要將微波信號(hào)分成幾路,分別用于各個(gè)通道,對(duì)于功分信號(hào)的幅相一致性、隔離度等有越來(lái)越高的要求。在毫米波以及更高頻段下,傳統(tǒng)威爾金森功分器存在兩路輸出端之間耦合嚴(yán)重,并且隔離電阻尺寸在毫米波高頻下無(wú)法忽略,使傳統(tǒng)威爾金森功分器的電路性能和應(yīng)用受到局限。常規(guī)微帶功分器設(shè)計(jì)中,對(duì)輸出支路之間的耦合效應(yīng)和隔離電阻的傳輸線效應(yīng)沒有統(tǒng)一考慮,從而導(dǎo)致了在更高頻段下的幅相一致性差的問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題,本文提出了一種基于薄膜電路工藝的新型威爾金森功分器,該設(shè)計(jì)通過(guò)減少兩路輸出支路之間耦合和考慮隔離電阻的傳輸線效應(yīng)[3],較好地解決了傳統(tǒng)威爾金森功分器在毫米波頻段下幅相一致性差的問(wèn)題。

2.原理分析

傳統(tǒng)威爾金森功分器的設(shè)計(jì)忽略了隔離電阻在毫米波頻段下的傳輸線效應(yīng),并且兩路輸出端在毫米波頻段下間距小,導(dǎo)致嚴(yán)重耦合,電路原理模型如圖1(a)所示。新型的威爾金森功分器模型考慮了隔離電阻在毫米波下的傳輸線效應(yīng),并在兩路輸出端和理想電阻之間增加了一段額外的傳輸線,該段傳輸線能夠增加兩臂之間的距離,從而減少兩臂之間的耦合,降低隔離電阻分布參數(shù)的影響,電路原理模型如圖1(b)所示。威爾金森功分器的特性分析

基于電路的對(duì)稱性,進(jìn)行偶模和奇模分析,如圖2所示。ZINA、ZINB 分為從端口2 向左、向下看的等效阻抗;對(duì)稱位置的阻值為R 隔離電阻分解為兩個(gè)阻值為R/ 2的電阻串聯(lián),電路中的所有阻抗均歸一化,其中將兩臂的阻抗和電長(zhǎng)度設(shè)為01 Z 和1θ,支路的電長(zhǎng)度和特性阻抗為02 Z 和2 θ ,隔離電阻歸一化阻值為r 。

2.1 偶模分析

在偶模激勵(lì)下,對(duì)稱位置激勵(lì)的信號(hào)具有相同的幅度和相位,從而對(duì)稱位置等效于開路,因此其隔離電阻可以忽略不計(jì),該電路可以等效為簡(jiǎn)單的雙端口匹配網(wǎng)絡(luò)。從端口2 看入,我們可以得出:

由并聯(lián)阻抗與端口2 的阻抗匹配得出:

2.2奇模分析

在奇模激勵(lì)下,對(duì)稱位置激勵(lì)的信號(hào)具有相同的幅度,但是相位相反,從而對(duì)稱位置等效于接地短路。對(duì)于這種激勵(lì)模式,端口2 是匹配的,全部功率都傳送到r/2 電阻上,而沒有進(jìn)入端口1。采用和偶模分析相同方法,我們可以得出:

3.仿真設(shè)計(jì)

本功分器設(shè)計(jì)選用厚度為0.254mm,介電常數(shù)為9.6 的99.6% Al2O3作為基片材料,相比其他材料,其損耗低、強(qiáng)度高、熱導(dǎo)率高。根據(jù)前文理論分析,在W 波段下設(shè)計(jì)了的一種改進(jìn)型功分器,其模型如圖5 所示。圖中端口1 為輸入端口,端口2和端口3 為輸出端口,在隔離電阻與雙臂之間增加了一段二分之一波長(zhǎng)的微帶線,即不影響隔離電阻,又可以使兩路輸出支路在一條直線上,從而減小了兩路輸出端之間的耦合度,提高兩路輸出信號(hào)的幅相一致性。采用HFSS 對(duì)其進(jìn)行三維電磁仿真,仿真結(jié)果如圖6 所示。

由圖6 仿真結(jié)果可知,在75GHz~78GHz 范圍內(nèi),兩路功率不平衡度小于0.15dB,插入損耗小于3.7dB,在中心頻率處相位相差0.5°,輸入反射系數(shù)大于20dB,端口隔離度大于10dB。

4.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

基于上述仿真設(shè)計(jì)結(jié)果,對(duì)該功分器進(jìn)行了實(shí)物加工和基于系統(tǒng)的測(cè)試,整個(gè)電路外形尺寸為2.5mm×3mm,其實(shí)物照片如圖7 所示。

該設(shè)計(jì)已成功應(yīng)用于W 波段毫米波收發(fā)組件, 該組件測(cè)試結(jié)果顯示: 在中心頻率為76.5GHz,帶寬1GHz 內(nèi),發(fā)射功率為11dBm,接收支路噪聲系數(shù)為6.5dB,增益27dB。各項(xiàng)測(cè)試指標(biāo)滿足系統(tǒng)要求并已成功應(yīng)用于W 波段FMCW 防撞雷達(dá),證明了這種新型功分器結(jié)構(gòu)的正確性和合理性。

5.結(jié)論

該功分器設(shè)計(jì)中通過(guò)減少輸出支路之間的耦合效應(yīng),并充分考慮隔離電阻的傳輸線效應(yīng),有效改善了功分器的幅相一致性,但是由于在輸出支路和隔離電阻之間引入了二分之一波長(zhǎng)的傳輸線,導(dǎo)致工作帶寬較窄,有待后續(xù)繼續(xù)研究改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

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