王曉鵬，劉 暢，孫澤月，陳 林，姚武生，2

(1.博微太赫茲信息科技有限公司 太未來實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230088；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

0 引言

功分器是一種微波無源器件，用于功率的分配或者組合，功分器廣泛應(yīng)用于各種通信、雷達(dá)微波系統(tǒng)當(dāng)中。隨著現(xiàn)代無線通信技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，有些設(shè)備必須使用一些寬帶高頻的功分器，研發(fā)寬帶、高頻段的功分器變得尤為重要，目前有很多單位對(duì)寬帶的功分器進(jìn)行了研究[1-7]，但對(duì)工作在Ka波段及以上的功分器研究甚少。

若傳統(tǒng)的Wilkinson功分器工作在K波段以上，其隔離電阻的安裝會(huì)遇到很大的挑戰(zhàn)[8-10]，并且普通電阻在高頻段的寄生效應(yīng)更為嚴(yán)重，影響了功分器在高頻段的性能。本文功分器選用的電阻為薄膜芯片電阻，它選用的電阻材質(zhì)為TaN，基片材質(zhì)為Al2O3，該電阻的寄生參數(shù)較小，使用頻段最高可至50 GHz，同時(shí)具有防潮的性能，該電阻表面有純金電極，適合金絲、金帶以及導(dǎo)電膠粘接等微組裝工藝。將使用薄膜工藝制作的電阻應(yīng)用到Wilkinson功分器的設(shè)計(jì)當(dāng)中，可大大提高功分器在高頻段的性能。

1 Wilkinson功分器

功分器的類型可分為波導(dǎo)功分器、微帶功分器和SIW功分器，其中微帶功分器又可分為T型結(jié)功分器、電阻性功分器和Wilkinson功分器。其中Wilkinson功分器由于輸出端口具有較高隔離度的優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用。

有耗的三端口網(wǎng)絡(luò)能制成全部端口匹配，并在輸出端口之間有隔離[11]。Wilkinson功率分配器[12]是這樣一種網(wǎng)絡(luò)：當(dāng)輸出端口匹配時(shí)，它仍具有無耗的有用特性，只是耗散了反射功率。

一種簡(jiǎn)單的一分二單節(jié)Wilkinson功分器結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中1端口為輸入端口，2、3端口為輸出端口。輸入阻抗為Z0，2個(gè)輸出端口的負(fù)載阻抗分別為Z2，Z3。為了使負(fù)載阻抗與功分器匹配，2路功分上都采用了1/4波長(zhǎng)阻抗變換器，特性阻抗分別為ZC2，ZC3。輸出2路端口中間的電阻為隔離電阻，它的作用是如果輸出端口有能量反射回來，則經(jīng)過電阻消耗掉而不影響另一端的輸出。

圖1 單節(jié)Wilkinson功分器結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure of single section Wilkinson power divider

Wilkinson功分器的設(shè)計(jì)公式為：

Z2=kZ0，

(1)

Z3=Z0/k，

(2)

(3)

(4)

R=kZ0+Z0/k，

(5)

式中，k2為2個(gè)輸出端口的功率比。

以上介紹的是單節(jié)Wilkinson功分器，但是當(dāng)工作頻段較寬時(shí)，單節(jié)Wilkinson功分器的指標(biāo)會(huì)惡化，這時(shí)需要采用多節(jié)的Wilkinson功分器[13]，通過多節(jié)的1/4波長(zhǎng)阻抗變換傳輸線來實(shí)現(xiàn)阻抗變換作用，從而展寬功分器的工作帶寬。同時(shí)，為了保證輸出端口的隔離特性，每一節(jié)1/4波長(zhǎng)阻抗變換傳輸線之間也要接隔離電阻。多節(jié)Wilkinson功分器如圖2所示。

圖2 多節(jié)Wilkinson功分器結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structure of multi-section Wilkinson power divider

圖2中，Z1，Z2，Z3，Z4為各節(jié)1/4阻抗變換的阻抗值，R1，R2，R3，R4為各節(jié)中間的隔離電阻。在多節(jié)阻抗變換中，若各階梯阻抗產(chǎn)生的反射波彼此抵消[14]，便可以使匹配的頻帶變寬。由此可知，選用Wilkinson的節(jié)數(shù)時(shí)，節(jié)數(shù)越多，功分器的工作帶寬也就越寬，但功分器的損耗會(huì)隨著引入的節(jié)數(shù)的增加而增加。要實(shí)際考慮在給定尺寸以及指標(biāo)要求等條件下而選擇功分器的節(jié)數(shù)。

2 仿真優(yōu)化與實(shí)現(xiàn)

2.1 仿真優(yōu)化

根據(jù)以上分析，使用電磁仿真軟件建模仿真了一款工作在19～31 GHz的一分四路功分網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示。設(shè)計(jì)指標(biāo)為：端口的駐波小于2.0，端口的插入損耗小于10 dB，端口的隔離度大于15 dB。

圖3 一分四功分器仿真模型Fig.3 Simulation model of one-four power divider

選擇用兩級(jí)一分二功分器來實(shí)現(xiàn)一分四，每一級(jí)一分二功分器采用2節(jié)的Wilkinson功分器來實(shí)現(xiàn)，2節(jié)阻抗變換處采用葫蘆式的微帶線布局，基板使用常用的板材RO4350B，介電常數(shù)為3.66，厚度為10 mil。仿真時(shí)需要設(shè)置TaN電阻：

R=ρL/(Wt)，

(6)

式中，R為電阻值；ρ為電阻材料的體積電阻率；L為電阻薄膜的長(zhǎng)度；W為電阻薄膜的寬度；t為電阻薄膜的厚度，通常為設(shè)計(jì)方便，假設(shè)電阻薄膜的長(zhǎng)度和寬度相等，此時(shí)的設(shè)計(jì)電阻為50 Ω。通過改變電阻薄膜的長(zhǎng)寬之比來改變電阻阻值的大小。

圖4給出了各端口的駐波仿真結(jié)果，Port1為輸入端口的駐波，其余為4個(gè)輸出端口的駐波，在工作頻段內(nèi)，輸入駐波基本在1.6以內(nèi)，輸出駐波仿真效果較好，都在1.2以內(nèi)。

圖4 一分四功分器各端口駐波仿真結(jié)果Fig. 4 Standing wave ratio simulation results of the one-four power divider of each port

圖5給出了輸出各個(gè)端口的插入損耗仿真結(jié)果，可以看出幅度一致性以及帶內(nèi)平坦度都較好。

圖5 一分四功分器輸出端口插入損耗仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of insertion loss of output port of one-four power divider

圖6給出了輸出相鄰端口的隔離度仿真結(jié)果。

圖6 一分四功分器相鄰端口隔離度仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of isolation of adjacent ports of one-four power divider

從仿真結(jié)果可以看出，2，3端口之間和4，5端口之間的隔離度基本都在17 dB以上，大部分頻段都在20 dB以上，3，4端口之間的隔離度要優(yōu)于2，3端口之間的隔離度，3，4端口之間的隔離度在整個(gè)頻段內(nèi)都在23 dB以上。綜合以上仿真結(jié)果，功分器的各項(xiàng)性能都達(dá)到了指標(biāo)要求。

2.2 容差分析及加工

對(duì)于頻率較低的微帶線Wilkinson功分器來說，加工精度沒有過多的要求，但是對(duì)于工作于Ka波段的功分器來說，微帶的加工精度對(duì)性能的影響變得更重要，需要對(duì)其進(jìn)行容差分析，依此來判斷現(xiàn)有加工精度是否能滿足指標(biāo)要求。影響本文設(shè)計(jì)功分器的指標(biāo)主要是微帶線的寬度，它包括50 Ω微帶線的寬度、2節(jié)阻抗變換處的微帶線寬度。

下面給出了以上微帶線寬度變化在±0.02 mm時(shí)，功分器的容差最差仿真結(jié)果。這里主要給出輸入端口的駐波以及2，3端口之間的隔離度的容差最差仿真結(jié)果，如圖7和圖8所示。從圖7可看出，在整個(gè)頻段內(nèi)，輸入端口的最差駐波在1.8以內(nèi)。從圖8可以看出，容差對(duì)功分器的隔離度影響不明顯，隔離度都在15 dB以上。

圖7 一分四功分器輸入端口駐波容差最差仿真結(jié)果Fig.7 The worst simulation results of standing wave tolerance of the input port of the one-four power divider

圖8 一分四功分器輸出相鄰端口隔離度容差最差仿真結(jié)果Fig.8 The worst simulation results of isolation tolerance of the output adjacent ports of the one-four power divider

由容差仿真結(jié)果可知，現(xiàn)有加工精度能滿足需求。根據(jù)此精度繪制功分器PCB加工文件，通過三維繪圖軟件繪制的一分四功分器的測(cè)試工裝三維加工模型如圖9所示。

圖9 一分四功分器的測(cè)試工裝三維加工模型Fig.9 Three dimensional machining model of test fixture of one-four power divider

3 實(shí)物及測(cè)試結(jié)果

根據(jù)仿真模型，進(jìn)行實(shí)物加工，一分四功分器的加工實(shí)物如圖10所示。

圖10 一分四功分器加工實(shí)物Fig.10 Actual one-four power divider

由于功分器的工作頻段比較高，功分器的接口采用的是可拆卸的2.92 mm連接器加射頻絕緣子的連接方式，同時(shí)功分器的殼體上留有空氣腔，以對(duì)射頻絕緣子和微帶在連接時(shí)產(chǎn)生的不連續(xù)性進(jìn)行補(bǔ)償[15]，通過這種補(bǔ)償方式可以改善端口的駐波。為了驗(yàn)證這種補(bǔ)償方式的效果，下面給出了有/無補(bǔ)償方式的背靠背結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果對(duì)比，并做了實(shí)物小樣進(jìn)行測(cè)試。圖11給出了有/無補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的接口仿真模型，圖12為有補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的背靠背接口加工實(shí)物。有/無補(bǔ)償結(jié)構(gòu)仿真和測(cè)試結(jié)果如圖13所示。由圖13可以看出，加補(bǔ)償結(jié)構(gòu)可以改善端口的匹配性能，在19～31 GHz時(shí)，有補(bǔ)償端口的實(shí)測(cè)駐波都在1.4以內(nèi)。實(shí)測(cè)插損較仿真大了1 dB左右，這是由于引入的連接器帶來的額外插損。

(a)有空氣腔補(bǔ)償

圖12 有補(bǔ)償結(jié)構(gòu)加工實(shí)物Fig.12 Processed material with compensation structure

圖13 有/無補(bǔ)償結(jié)構(gòu)仿真和測(cè)試結(jié)果Fig.13 Simulation and test results of with/without compensation structure

一分四功分網(wǎng)絡(luò)的各端口駐波實(shí)測(cè)結(jié)果如圖14所示，在工作頻段內(nèi)，輸出駐波都小于1.6，輸入駐波都在1.5以下，實(shí)測(cè)駐波和仿真的差別可能是由于板子加工和裝配誤差以及仿真設(shè)置的理想電阻與實(shí)際的薄膜芯片電阻有所區(qū)別導(dǎo)致的。功分網(wǎng)絡(luò)的各輸出端口的插入損耗如圖15所示，在31 GHz以內(nèi)時(shí)，功分器的各端口插入損耗基本都在10 dB以內(nèi)，各端口的幅度一致性較好，插損實(shí)測(cè)結(jié)果要比仿真結(jié)果高2 dB左右，這是由空氣腔的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)以及連接器的損耗帶來的。圖16給出了功分器輸出相鄰端口的隔離度實(shí)測(cè)結(jié)果，從測(cè)試結(jié)果可以看出，在17～33 GHz頻帶內(nèi)的隔離度都在17 dB以上，在21～28 GHz頻帶內(nèi)隔離度達(dá)到了20 dB以上。3，4端口之間的隔離度在整個(gè)頻段內(nèi)都在27 dB以上，隔離度測(cè)試結(jié)果超過了指標(biāo)要求的15 dB?？傮w來說，功分器的各項(xiàng)指標(biāo)的實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好。

圖14 一分四功分器各端口駐波實(shí)測(cè)結(jié)果Fig.14 Measured results of standing waves at each port of a one-four power divider

圖15 一分四功分器輸出端口插入損耗實(shí)測(cè)結(jié)果Fig.15 Measured results of insertion loss at the output port of a one-four power divider

圖16 一分四功分器相鄰端口隔離度實(shí)測(cè)結(jié)果Fig.16 Measured results of isolation degree of adjacent ports of a one-four power divider

4 結(jié)束語

利用Wilkinson基礎(chǔ)理論設(shè)計(jì)了一款寬帶可工作至31 GHz的一分四功分器，通過將傳統(tǒng)的電阻替代為利用薄膜電阻工藝制作的TaN電阻，使得功分器在較高頻段也能保持較好的隔離度。測(cè)試結(jié)果顯示，在19～31 GHz整個(gè)工作頻段范圍內(nèi)，功分器的隔離度在19 dB以上，功分器的各輸出端口駐波在1.6以內(nèi)，輸入端口的駐波在1.6以內(nèi)，插入損耗小于10 dB?？傮w來說，功分器的性能滿足指標(biāo)要求。本文對(duì)運(yùn)用薄膜芯片電阻來設(shè)計(jì)類似的Ka波段的微帶功分器提供了一定的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。