一种小型化毫米波三等分功分器的设计

2018年2月
第41卷第1期
舰船电子对抗
SHIPBOARD ELECTRONIC COUNTERMEASURE Feb.2018
Vol.41 No. 1
一种小型化毫米波三等分功分器的设计
林元根，徐海洋
(中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏扬州225101)
主商要：针对毫米波功率合成技术研究，吸取传统Wilkinson电桥的优点，设计了一款性能优良、便于工程加工的小型化直接 三等分功分器，仿真结果表明:在32〜37GHZ的频段内驻波小于1.55,插人损耗1.1 d B以内，隔离度大于14 9 dB。

关键词：毫米波（功分器;三等分
中图分类号：TN626 文献标识码：B文章编号：CN32-1413(2018)01-0114-03 D O I:10.16426/ki.jcdzdk.2018.01.026
Design of A Miniaturized Three Equal Power Divider For Millimeter Wave
L I N Yua n-g e n,X U Hai-yang
(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225101,China)
Abstract： Aiming at the research into millimeterwave power synthesis technology, this paper absorbs the advantages of traditional Wilkinson hybrid junction to design a miniaaturized direct l^hree equal power divider which i s excellent and convenient for engineering processing. Simulation results show that t he standing wave s less than 1. 55 in 32 "37G H z,insert loss i s less than 1. 1 dB,isolation i s greater than 14. 9 dB .
Key words：millimeterwave；power divider；one-three divider
0引百
现代的毫米波系统中，对固态电路的输出功率要求越来越高，提高输出功率的基本技术就是功率合成，即通过组合若干个相干工作单元或者通过叠加多个分离电路功率的方法，获取更大的输出功率。

目前，毫米波功率合成技术大致可以划分为4类：芯 片级合成、电路合成、空间合成以及多级合成的方法[1]%
功率分配器是功率合成电路的重要组成部分，它的作用是将输人功率分成相等或不相等的几路功 率输出的一种多端口微波网络。

在微波系统中，需 要将发射功率按一定的比例分配到各发射单元，如 相控阵雷达等，因此功分器在微波系统中有着广泛 的应用。

它的性能好坏直接影响到整个系统能量的 分配、合成效率。

Wilkinson功分器是一种在X波段以下技术成 熟且运用较为广泛的功分器，在毫米波以及更高频段，毫米波功分器的设计往往面临如下挑战：（1)电阻尺寸位置极为敏感（2)功分器枝节的不连续性会 导致性能严重恶化（3)线宽太细导致无法加工等。

本文通过巧妙过渡设计、选择合适的电阻尺寸及对电阻的位置进行综合优化等手段设计了一款性能优 良的可加工的毫米波直接三等分功分的功分器。

1原理及设计
设计功分器最常用的方法是采用树状结构，三 等分功分器一般有3种设计方法：
第1种先把输人信号分成2路，然后每路又分 成2路。

这种结构只有一种二等分功分器，设计和 加工均较方便，但分路数需满足N=2M(M=1，2, …），如要分成3路，则必须先分成4路，其中一路 用匹配负载吸收。

这种方法不但白白消耗了一路能 量，而且由于其它路负载与吸收支路匹配负载并不 完全一样，而其平分度也不是很理想[2]。

第2种是可以先将输人P。

按1:2不等分，然后 再将初次分配后功率为2/3 P。

的一支再二等分，结构如图1所示。

收稿日期：2017-11 -28
第1期林元根等)一种小型化毫米波三等分功分器的设计115
y〇i V i +jYi〇(y2 +y3 +v4) % 〇
jYi#Vi 3G i(V2-V3)% 0 !)
jYi#V i-G i(V2 —2V" +V-) 3j U6 % 0 (5)
图1三等分功分器结构示意图
这样既可以做到三等分功率，又可以避免不必要的吸收。

但在电路中，实现满意的功串分配并非容易，而且三等分功分器其中一个支路线宽过细导致加工困难；此外这种三等分功分器占用尺寸较大，无法实现小型化。

第3种采用下面介绍的对称结构直接三等分功分器设计，可以克服上述困难。

因而它插损小，各端口匹配，各路间互相隔离度好，不平分度小。

其结构如图2所示。

图2!三等分功分器结构示意图
采用！形等效电路方法建立对称三功分器的电路拓扑如图3所示[34]。

i口为输入口，5、6、7 口为输出口。

Y〇i，Y〇2分别表示信号源及负载导纳。

Y i〇，^2。

分别表示第i节和第2节传输线特性导纳，G，G2分别表示第i节和第2节隔离电导。

图3三等分功分器等效电路
当把均匀传输线等效为！型等效电路时，在中心频率处的串联导纳）
I串％—j Y⑷（)并联导纳）
Y并 ％j Y〇(2)对图i的等效电路可列出其节点电流方程为）
Y i〇V i-G i(y3-V4) +Y20V5 % 0 (6)
jY2〇V2-G2V6-V7) % A7(7) jY2〇V3-G2V5 3 (2G2 +Y02V6-G2V7 % 0 (8) jY2〇V- — (G2 +Y02V5-G2V6 % 0 (9)设从7 口加入信号电流电压，由5 口和6口对7 口完全隔离，则：
V5 % V6 % 0 (0)由7 口对Y02完全匹配，解上述方程可得：
Gi % 4Yi02/Y0i(ii)
G2 % Y02/4 (2)
Y0i/Y02 % 3(Y i0/Y2。

）2(3)式（i3)给出i口对Y0i完全匹配的条件。

从5 口、6 口输入，由于电路的对称性也可以得 到各输出口对Y02匹配及各路间完全隔离和i口对 Y0i完全匹配的相同的结果。

式（ii)〜（3)中，传输线节特性导纳Yi0、Y20及隔离电导G i、G2可有4个未知数，因此需要一个 附加条件，这可以用以下方法分析来确定。

在图3中，当i 口加入信号时，由于各路之间 完全隔离，各支路对应节点上电压相等，各电导上没 有电流，故分析i口匹配条件时，Y02经过两节i/4 波长又均匀传输导纳变换器变换到口，可要求Yi0、Y20满足最平坦型传输线导纳变换器的特性。

通过 对比系数方法，可以确定）
Yi0 % Y02/B3/4(4)
Y20 % Y02/B1/4(5)
式中：B= 3 Y02/Y0i。

使得在中心频串处实现1口上完全匹配，反射系数为零。

2建模及仿真
根据上述设计，利用H F S S仿真软件，首先通 过理论值计算出输入和输出端口的阻抗值，然后计 算出各隔离电阻的阻值。

根据阻抗值计算出线宽，输出端的枝节长度选择1/4波长长度的整数倍，最 后再用H F S S进行综合优化。

采用带状线结构，上 下层基片的厚度均为0• 254 m m，基片材料为Roger 6002,介电常数为2. 94。

功分器尺寸为18 m m X7m m，从设计可看出该 功分器实现了小型化。

输入和输出端口均为50'
，
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第41卷
出端P 2到输出端P -的隔离度1$. l d B ，输出端P 3 到输出端P -的隔离度14. 88d B 。

3结束语
毫米波集成电路技术实现功率合成，基本合成
单元是三路电桥合成，关键技术是制作出低损耗合
成电桥。

本文描述的毫米波电桥，由于工作频率很 高，所以尺寸很小，对加工精度要求很高，但其相应 功率合成网络具有低损耗、低成本等优点，具有一^定 实用价值，可以进一步加工实物进行验证。

参考文献
[1] CHANG K ，SUN C . Millimeter-wave power-combining
techniques [J ]. IEEE M T T ，2003，31 (2) : 91 - 107.[]赵晨星.奇等分微带功分器的仿真设计[J ]电讯技术，
2008,48(7)：77 - 78.
[]巩志仁.一种新型的倍频程带宽微带.舰船电子对抗，
1994，17(4)：33 - 34.
[4]林元根，张勇.亚毫本波二倍频器的设计[J ]舰船电子
对抗，2010,33(4):102 - 105.
图4三等分功分器的仿真模型
其线宽0. 31m m ，端口可和微波器件或射频连接器 相连。

为防止功分器的各输出端口线宽过窄，从而 导致无法工程加工，在功分前将输入端口的线宽渐 变为0. 85 m m ，这样可确保枝节输出端具有较宽的 线宽，最终优化后的功分枝节的线宽为0.2 m m 。

为实现输出端50 '的输出，再对功分枝节后的线宽 采用了连续渐变，使其0. 2 m m 过段变换到 0.31m m 。

最后再对两臂之间的间隙进行选择和优 化，从而选择合适的间隙，最终优化的间隙为 0.6m m 。

隔离电阻选择微波薄膜电阻，型号为 0603或0402的薄膜电阻到毫米波频段阻抗就变 了，而型号为0101不容易焊接，故选择薄膜电阻型 号为R 0201B 500J ，见为32. 5 '，私为100 '，两臂 间隙为0. 6 m m 。

从图5的三等分功分器的表面电流分布图可以 看出，输入端口电流被平分至输出端口，由此可以初 步判断功分器性能的好坏。

图5
三等分功分器的表面电流分布图
从图6可以看出，三等分功分器在32〜37 G H z 频段输入端P .的驻波为1. 48,输出端込的驻波为 1.55,输出端^的驻波为.33,输出端P 2的驻波 为 1. 34。

从图7可以看出，三等分功分器在32〜37 G H z 频段输入端P i 到输出端A
的插入损耗为
5. 93d B ，输入端P .到输出端P3的插入损耗为 5. 81d B ，输入端P .到输出端P4的插入损耗为5. 74d B 。

从图8可以看出，三等分功分器在32〜37 G H z 频段输出端P 2到输出端P
的隔离度17. 26d B ，输
图6功分器4个端口的驻波
图7功分器的插人损耗
050505050
075207520 3* 2*
2- 2
* 2- L 1- 1
- 1-
-4.-5.
拔
蹈Y
难。