寬帶波導(dǎo)-微帶一分四功分器設(shè)計(jì)

2016-11-05 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

劉文豹,楊自強(qiáng),陳濤

(電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院,四川成都611731)

摘要:提出一種Ka頻段寬帶一分四功分器的結(jié)構(gòu),采用寬帶波導(dǎo)E面T形結(jié)加波導(dǎo)-探針-微帶過渡的結(jié)構(gòu)。對(duì)E面T形結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),實(shí)現(xiàn)寬帶功率二等分,然后兩路輸出通過波導(dǎo)雙路微帶探針過渡實(shí)現(xiàn)四路功率分配。使用三維電磁仿真軟件Ansoft HFSS對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真優(yōu)化,結(jié)果表明,在26.5~40.0GHz內(nèi),回波損耗小于-20dB,傳輸損耗小于0.3dB。

關(guān)鍵詞:Ka頻段;寬帶,功分器,HFSS

中圖分類號(hào):TN626文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

0引言

功率分配器即功分器是將輸入信號(hào)功率分成相等或不等的幾路功率輸出的一種多端口無(wú)源微波網(wǎng)絡(luò),用于功率分配或功率合成。其性能直接影響整個(gè)系統(tǒng)能量的分配和合成效率。隨著寬帶天線、寬帶濾波器等器件的不斷發(fā)展,對(duì)寬帶功分器的要求也越來(lái)越高,需求也越來(lái)越大。傳統(tǒng)微帶傳輸線功分器(如威爾金森、分支線電橋、環(huán)形電橋等),品質(zhì)因數(shù)低,易實(shí)現(xiàn)寬帶,但具有損耗大,功率容量小等缺點(diǎn)。基于波導(dǎo)傳輸結(jié)構(gòu)的功率分配器(如H面T分支、E面T分支、魔T等)損耗小于普通的平面?zhèn)鬏斁€,具有功率容量大等特點(diǎn),因而廣泛應(yīng)用于高功率場(chǎng)合。單獨(dú)的波導(dǎo)傳輸結(jié)構(gòu)的功率分配器在多路分配時(shí)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、體積較大影響了其主要應(yīng)用。由于射頻毫米有源電路皆采用微帶傳輸,本設(shè)計(jì)采用波導(dǎo)E-T功分結(jié)構(gòu)加波導(dǎo)雙路探針微帶過渡的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)Ka全波段功率四路分配,可廣泛應(yīng)用于毫米波固態(tài)功率合成電路中。

1寬帶波導(dǎo)T形結(jié)的設(shè)計(jì)和仿真

波導(dǎo)E面T形結(jié)是一種串聯(lián)分支,類似于微帶傳輸中的串聯(lián)分支線,這里將T形結(jié)對(duì)應(yīng)的兩個(gè)端口作為輸出端口,獨(dú)立的那個(gè)端口作為輸入端口來(lái)分析其特性。以T和T~為參考平面,實(shí)際模型和等效電路如圖1所示。

由T形結(jié)的等效電路可知,波導(dǎo)寬邊的不連續(xù)性將引入一個(gè)串聯(lián)的阻抗。需引入一個(gè)額外的電抗元件來(lái)抵消這個(gè)串聯(lián)阻抗。本設(shè)計(jì)對(duì)常規(guī)的E-T波導(dǎo)功分結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),在分節(jié)處設(shè)置一些過渡的凸臺(tái),改善其不連續(xù)性,可實(shí)現(xiàn)整個(gè)Ka頻帶內(nèi)等功率分配,且輸入口阻抗匹配,圖2為該結(jié)構(gòu)示意圖。

由圖2可知,改變幾個(gè)凸臺(tái)的高和寬可優(yōu)化T型波導(dǎo)節(jié)的性能指標(biāo)。使用仿真軟件Ansoft HFSS對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真優(yōu)化,采用BJ320標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)尺寸,波導(dǎo)寬為7.12mm,高為3.556mm,仿真結(jié)果如圖3(b)所示。由圖可知,在26.5~40GHz整個(gè)Ka波段內(nèi)回波損耗小于-20dB,傳輸損耗小于0.05dB。兩輸出端口的反射系數(shù)和端口隔離度均約6dB。該結(jié)構(gòu)完全滿足本設(shè)計(jì)一分四功分器的第一級(jí)功率分配指標(biāo)要求。

2波導(dǎo)雙路微帶探針過渡的設(shè)計(jì)和優(yōu)化

通常要求波導(dǎo)微帶過渡結(jié)構(gòu)傳輸損耗低,回波損耗高,且應(yīng)具有足夠的頻帶寬度,易裝卸且有良好的重復(fù)性和一致性,轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)與電路協(xié)調(diào)涉及,且便于制作加工。目前最常見的波導(dǎo)微帶過渡結(jié)構(gòu)主要有波導(dǎo)-脊波導(dǎo)-微帶過渡形式、波導(dǎo)-探針-微帶過渡、波導(dǎo)-對(duì)極鰭線-微帶過渡等。其中波導(dǎo)-探針-微帶過渡是目前應(yīng)用最廣泛的波導(dǎo)微帶過渡形式,這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)有插入損耗低,回波損耗小,頻帶寬,結(jié)構(gòu)緊湊,體積小,加工方便,易裝卸,因而特別適合在毫米波領(lǐng)域里應(yīng)用。

本設(shè)計(jì)采用波導(dǎo)-E面探針-微帶過渡結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)的示意圖如圖4所示。矩形波導(dǎo)中的波導(dǎo)短路面與微帶探針距離D≈λ/4(λ為波長(zhǎng)),因?yàn)檫@樣電磁波一個(gè)來(lái)回的傳輸距離為λ/2,可使波導(dǎo)內(nèi)形成駐波,用來(lái)保證探針在波導(dǎo)中處于電壓最大值處,即電場(chǎng)最強(qiáng)處,以實(shí)現(xiàn)最大的耦合。由于探針過渡結(jié)構(gòu)具有容性電抗,所以探針后面還需串聯(lián)一段高感抗線抵消其容抗。

通過優(yōu)化探針寬W和長(zhǎng)L、高阻線長(zhǎng)W1和長(zhǎng)L1來(lái)設(shè)計(jì)該過渡結(jié)構(gòu)的指標(biāo)。在波導(dǎo)寬邊中心線兩邊對(duì)稱放置2個(gè)相同的寬帶波導(dǎo)-探針-微帶結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了波導(dǎo)雙路微帶探針過渡,使用仿真軟件HFSS建立模型,波導(dǎo)同樣采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)BJ320標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo),基板材料采用Rogers5880,介電常數(shù)為2.2,基板厚0.254mm,在Ka頻段,50Ω線寬0.77mm。模型結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示。對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化可得,W=0.8mm,L=2mm,W1=0.44mm,L1=0.94mm時(shí)各指標(biāo)最優(yōu),仿真結(jié)構(gòu)如圖5(b)所示。由圖可知,該結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)端口的回波損耗小于20dB,傳輸損耗小于0.2dB,輸出相位相同。

3波導(dǎo)-微帶一分四功分器的仿真設(shè)計(jì)

利用改進(jìn)優(yōu)化的波導(dǎo)E-T型功分結(jié)構(gòu)作為第一級(jí)功率分配結(jié)構(gòu),在T型節(jié)的兩臂上各加一個(gè)波導(dǎo)雙路微帶探針過渡結(jié)構(gòu),這樣便實(shí)現(xiàn)了波導(dǎo)-微帶的一分四的功率分配器的結(jié)構(gòu)。使用HFSS軟件對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模和仿真,模型結(jié)構(gòu)如圖6所示,通過再次優(yōu)化各個(gè)結(jié)構(gòu)的可調(diào)節(jié)量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)指標(biāo)。圖7為最終功分器仿真優(yōu)化結(jié)果。由圖可知,本設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在Ka全頻段內(nèi)回波損耗小于-20dB,傳輸損耗小于0.3dB,各指標(biāo)均能滿足要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)提出一種改進(jìn)型的寬帶波導(dǎo)E-T功分結(jié)構(gòu)加波導(dǎo)兩路探針微帶過渡的四路功分器結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)兼顧了功分器的性能和體積2個(gè)要素,功率容量大。通過HFSS仿真軟件對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真優(yōu)化可得該結(jié)構(gòu)在Ka波段全頻段性能優(yōu)異,回波損耗均小于-20dB,傳輸損耗小于0.3dB。本結(jié)構(gòu)可廣泛的應(yīng)用于寬帶固態(tài)功率合成等領(lǐng)域。

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