江 文,程海榮,陳曉鵬

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所,南京 211153)

一分十六寬帶層壓介質(zhì)帶狀線功分器

江 文,程海榮,陳曉鵬

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所,南京 211153)

介紹了威爾金森功分器的設(shè)計方法,研制了一種相對帶寬為21%的一分十六層壓帶狀線功分器。仿真和測試結(jié)果表明,該功分器具有很好的低駐波、高幅相一致性和高隔離度等電性能。由于其特殊的層壓結(jié)構(gòu),并通過印制板周圍打金屬過孔來防止電磁泄漏干擾,省略了屏蔽盒,使功分器具有結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕和加工簡單的優(yōu)點,適用于特定的工程領(lǐng)域。

層壓帶狀線功分器;寬帶;高幅度一致性;高隔離度

0 引 言

隨著微波集成技術(shù)的發(fā)展,印刷陣列天線由于其自身獨特的優(yōu)點已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代雷達及通信等領(lǐng)域,其中高性能的多級饋電網(wǎng)絡(luò)是實現(xiàn)大型印刷陣列的關(guān)鍵技術(shù)之一。典型的多級饋電網(wǎng)絡(luò)由威爾金森功分器及分支線耦合器等構(gòu)成,其實現(xiàn)形式有微帶線和帶狀線。

通常,低功率情況下采用威爾金森微帶線功分網(wǎng)絡(luò),為了提高隔離度,在微帶線的表面焊接隔離電阻。[1]由于微帶線的場是半開放的,輻射比較嚴(yán)重,為了防止電磁泄漏,在工程應(yīng)用中利用金屬盒罩住微帶功分器,從而導(dǎo)致功分器的整體尺寸變大,質(zhì)量加大。在高功率情況下則采用威爾金森金屬帶狀線功分網(wǎng)絡(luò)[2-3]。該結(jié)構(gòu)加工難度大、安裝要求高、加工成本高以及質(zhì)量大。隨著軍事電子科技飛速發(fā)展,武器裝備的多功能與小型化,對系統(tǒng)的集成度提出了越來越高的要求。通過在雷達饋電電路部分采用層壓帶狀線代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單層微帶板電路可以有效提高雷達系統(tǒng)的集成度、穩(wěn)定性、可靠性。

本文設(shè)計了一種對于功率要求不是很高的層壓介質(zhì)帶狀線功分器。由于其特殊的層壓式結(jié)構(gòu),該功分器不需要金屬盒,具有加工簡單、成本低和質(zhì)量輕等優(yōu)點。利用SIW金屬過孔或者金屬包邊能進一步防止電磁干擾和泄漏,可以廣泛應(yīng)用于特定的工程領(lǐng)域。

1 理論分析

如圖1所示三端口功率分配器,它是在T形結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。該功分器的結(jié)構(gòu)簡單緊湊,理論上可以提供任意功分比,而且輸出端口彼此隔離,隔離度比較高。圖中R是隔離電阻,通常用鉻合金或電阻粉等材料制成的薄膜電阻。當(dāng)信號從端口1輸入時,功率從端口2和端口3輸出。只要設(shè)計恰當(dāng),兩輸出端口可按一定比例分配,并保持電壓同相,此時電阻R中沒有電流,不吸收功率。若端口2或端口3稍有失配,則有功率反射回來,可被電阻R吸收,從而保證兩輸出端有良好的隔離,并改善輸入端的匹配。等分與不等分功分器的基本公式推導(dǎo)可以參考文獻[4]。

圖1 Wilkinson功分器結(jié)構(gòu)示意圖

2 介質(zhì)帶狀線功分器的設(shè)計

一分十六介質(zhì)功分器的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示,介質(zhì)板尺寸為60 mm*700 mm,介質(zhì)板的介電常數(shù)為2.55,厚度為2.032 mm。中間層金屬導(dǎo)帶和上下兩層接地面的金屬厚度均為0.035 mm,適當(dāng)增加金屬層的厚度可以提高介質(zhì)帶狀線的最大承受功率。所有饋電端口均在同一側(cè),介質(zhì)板上下層為接地面,中間為導(dǎo)帶,導(dǎo)帶彎折是為了減小尺寸。為了提高隔離度,每一個功分器需要焊接一個電阻,所以需要在導(dǎo)電帶的上層挖掉一塊介質(zhì)和一塊接地面,挖掉的介質(zhì)和接地面的大小為4 mm*3 mm,如圖3所示。把尺寸為1 mm*2 mm、阻值為100 Ω的電阻焊接其中。電阻焊完后,再把一塊直徑為6 mm的金屬圓塊焊接在接地面上堵住挖掉的部分。

圖2 一分十六功分器結(jié)構(gòu)圖

圖3 一分二功分器結(jié)構(gòu)圖

由于挖掉了一部分介質(zhì),該位置的導(dǎo)帶阻抗值會變大,增加導(dǎo)帶寬度可以使其阻抗值基本保持不變。通過仿真,導(dǎo)帶寬度增加了0.1 mm。根據(jù)功分器的設(shè)計公式,取W1=1.5 mm,對應(yīng)阻抗為50 Ω；W2=0.7 mm,對應(yīng)阻抗為71 Ω；W3=1.6 mm,對應(yīng)阻抗為50 Ω。

三層金屬、兩層介質(zhì)的帶狀線是通過兩個介質(zhì)板層壓而成,兩個介質(zhì)板之間涂覆了一層很薄的粘合膠水。該膠水對介質(zhì)板的綜合介電常數(shù)有影響,最終可能會使功分器的損耗偏大。

3 測試結(jié)果

測試的駐波如圖4所示,最大的駐波為1.27,在寬的頻帶內(nèi)駐波比較小,與仿真的最大駐波1.25比較吻合。

圖4 駐波(仿真曲線--,測試曲線—)

測試的插入損耗曲線如圖5所示,插入損耗為13.4～13.8 dB,帶內(nèi)起伏為0.2 dB,仿真的插入損耗為12.8 dB,實測的損耗比仿真大0.8 dB。損耗偏大原因有兩方面:一是介質(zhì)板層壓所采用的膠水損耗較大,把膠水的介電常數(shù)和損耗代入仿真,損耗增加了0.5 dB;二是功分器端口所用的SMA連接器具有一定的損耗,損耗大約為0.2 dB。

測試端口相位如圖6所示,16個端口相位最大差值僅為3°,相位一致性比較好。隔離度曲線如圖7所示,隔離度小于-20 dB,隔離度比較好,如果不加隔離電阻,隔離度只有-7 dB。

圖5 插入損耗(仿真曲線--,測試曲線—)

圖6 測試的16個端口相位曲線

圖7 末級8個端口間的隔離度(仿真--,測試—)

4 結(jié)束語

本文所設(shè)計的層壓式介質(zhì)帶狀線功分器,在21%的相對工作帶寬內(nèi),具有很好的低駐波、高幅相一致性和高隔離度等電性能。利用SIW金屬過孔省去了金屬屏蔽盒,具有加工簡單、價格低、質(zhì)量輕等優(yōu)點。介質(zhì)板表面鍍金或者鉻,能防止氧化,特別適用于特殊工程應(yīng)用領(lǐng)域。除了損耗偏大外,測試結(jié)果與仿真結(jié)果比較吻合,證明了本文設(shè)計的有效性。

[1] 朱大勇,傅世強. 一種改進型Wilkinson功分器的設(shè)計[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù),2013(16):131-132.

[2] 陳軍,張軼江.大型帶狀線功分器小型化的新方法[J].中國科技信息,2009(15):143-144.

[3] 劉新瓊,楊林,楊娟. S波段大型功分饋電網(wǎng)絡(luò)[J].空間電子與技術(shù),2010,7(1):101-104.

[4] David M Pozar.微波工程[M].張肇儀,等譯.北京:電子工業(yè)出版社,2009.7.

A one-to-sixteen port broadband laminated dielectric stripline power divider

JIANG Wen, CHEN Hai-rong, CHEN Xiao-peng

(No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

The design of the Wilkinson power divider is introduced, and one-to-sixteen port laminated stripline power divider is developed with the relative bandwidth of 21%. The simulation and test results show that the power divider has low VSWR, high consistency of the amplitude and phase, and high isolation. In order to prevent electromagnetic interference and leakage, the SIW metal via hole is used in the dielectric plate. Owing to the special laminated structure, the power divider features compact structure, light weight and simple machining, and it is applicable to the specific engineering field.

laminated stripline power divider; broadband; high consistency of amplitude and phase; high isolation

2017-03-01;

2017-04-03

江文(1987-),男,工程師,碩士,研究方向:天線技術(shù)與微波器件;程海榮(1977-),女,高級工程師,碩士,研究方向:波導(dǎo)天線及微波器件;陳曉鵬(1989-),男,工程師,碩士,研究方向:微帶天線。

TN626

A

1009-0401(2017)02-0034-03