2~18GHz宽带波束网络的设计

电子信息对抗技术
Electronic Information Warfare Technology
2020,35(4)
中图分类号:TN97 文献标志码:A 文章编号:1674-2230(2020)04-0088-04
收稿日期:2019-09-26;修回日期:2019-10-16
作者简介:赵利群,女,四川眉山人,工学硕士;胡助明,男,四川内江人,工学硕士㊂
2~18GHz 宽带波束网络的设计
赵利群1,胡助明2
(1.成都西科微波通讯有限公司,成都610072;2.电子信息控制重点实验室,成都610036)
摘要:给出了一种2~18GHz 宽带波束网络的设计方法,其核心电路由Wilkinson 功分器和平面巴伦构成,平面巴伦由开路和短路耦合传输线实现,最后基于ADS 完成了2~18GHz 宽带波束网络的仿真设计㊂仿真结果证明,该波束网络能够对来自四个不同天线的波束进行和差操作㊂关键词:Wilkinson 功分器;平面巴伦;和差波束DOI :10.3969/j.issn.1674-2230.2020.04.019
The Design of 2~18GHz Broadband Beam -Forming Network
ZHAO Liqun 1,HU Zhuming 2
(1.Chengdu Seekon Microwave Communication Co.Ltd,Chengdu 610072,China;
2.Science and Technology on Electronic Information Control Laboratory,Chengdu 610036,China)
Abstract :The design method of a broadband 2~18GHz beam-forming network is described.Wilkinson power divider and planar balun are core circuits of the broadband beam-forming net⁃work,open and short coupling transmission lines are composed of the planar balun.The design of the 2~18GHz beam-forming network is accomplished using ADS finally.Simulation results prove it can sum and difference beams coming from four different antennas.
Key words :Wilkinson power divider;planar Balun;sum and difference beam-forming
1　引言
Wilkinson 功分器和Balun 都是成熟的宽带微
波无源器件,将二者结合起来,实现了一种2~
18GHz 宽带波束网络㊂它能对来自四个不同天线的波束进行和差操作㊂ADS 仿真结果证明,该波束网络能够工作在2~18GHz㊂值得一提的是,利用宽带开路/短路耦合传输线可以实现平面巴伦㊂
2　设计过程
2.1　设计方案
该2~18GHz 宽带波束网络包括4个输入端口和3个输出端口,方案框图如图1所示㊂每个天线端接一分三Wilkinson 功分器,然后在进行和差操作
:
图1　2~18GHz 宽带波束网络方案框图
8
8
电子信息对抗技术·第35卷
2020年7月第4期赵利群,胡助明
2~18GHz宽带波束网络的设计和波束Σ=馈源1+馈源2+馈源3+馈源4;
差波束Δ1=(馈源1+馈源3)-(馈源2+馈源4);
差波束Δ2=(馈源1+馈源2)-(馈源3+馈源4);
和”波束由Wilkinson功分器实现, 差”波
束由Balun实现㊂根据图1所示,2~18GHz宽带
波束网络共需要4个一分三功分器㊁7个一分二
功分器以及2个平面巴伦㊂
2.2　Wilkinson功分器的设计
①一分二Wilkinson功分器的设计
设计两路Wilkinson功分器可以根据Seymour
B.Cohn提供的表格进行[1],为了进一步提高隔
离度,选择N=9节两路带线Wilkinson功分器㊂基板为Rogers5880,厚度为1.574mm㊂每一节的阻抗和电阻经ADS优化之后得到,优化后的阻抗和电阻数据如表1所示,HFSS仿真模型如图2所示㊂HFSS仿真结果为:输入输出VSWR≤1.25,插损≤3.5dB,隔离度≥25dB㊂
图2　一分二Wilkinson功分器HFSS仿真模型
②一分三Wilkinson
功分器的设计
本文以牺牲1.77dB理论插损为代价,将一分四Wilkinson功分器的其中一路接50欧姆负载,变成一分三功分器来使用㊂其好处是:设计简便,且隔离度不会受影响㊂隔离度仿真结果如图3所示㊂
现在观察图1,对4个一分三功分器而言,两个差波束和一个和波束是不一样的负载㊂ADS 仿真结果证明:若一分三功分器的隔离度较低(例如低于15dB),和波束插损曲线波动会异常增大㊂此处设计的一分三功分器牺牲了1.77dB的插损,但25dB的隔离度足以屏蔽负载不一致带来的不利影响㊂
图3　一分三Wilkinson功分器隔离度的仿真结果
2.3　宽带平面巴伦的设计
①理论分析
E.M.T Jones与J.T.Bolljahn等人详细分析过各种耦合传输线的奇/偶模阻抗和相位常数β(即波束k)[2]㊂现考虑耦合传输线部分端口开路或短路的情况,如图4所示㊂
图4　耦合传输线开路和短路的ADS模型
98
赵利群,胡助明
2~18GHz 宽带波束网络的设计
投稿邮箱:dzxxdkjs@
假设图4为无耗传输线(α=0),开路耦合传
输线相位常数的双曲余弦函数为[2]:
cos h (j β)=+Z oe
Z oo
+1Z oe
Z oo
-1㊃cos(θ)
(1)
短路耦合传输线相位常数的双曲余弦函数为
[2]
:
cos h (j β)=+Z oe
Z oo
+1Z oe
Z oo
-1㊃cos(θ)
(2)
因此,图4所示的短路传输线的相位比开路传输线超前180°,理论上可以用它们来实现一个平面巴伦㊂
②2~18GHz 开路与短路耦合传输线
图4所示单节1/4波长开路/短路耦合传输线不能覆盖2~18GHz,需要采用多节1/4波长耦合传输线㊂通过级联9节1/4波长耦合传输线,能实现耦合度为-8.34dB 的2~18GHz 开路/短路耦合线㊂将两个-8.34dB 耦合线串接,可以实现一个耦合度为-3dB 的耦合传输线[3]㊂
用ADS 完成了2~18GHz 开路耦合传输线与
短路耦合传输线的仿真,仿真结果如图5和图6所示
㊂
图5　
插损仿真结果
图6　相位差仿真结果
③宽带平面巴伦的设计
若2~18GHz Wilkinson 功分器分别端接宽带开路与短路耦合传输线,即可实现2~18GHz 宽
带平面巴伦,如图7所示
㊂
图7　宽带平面巴伦的原理图
根据图7在ADS 里搭建了一个完整的宽带平面巴伦模型㊂ADS 仿真结果为:插损≤3.05dB,输入输出VSWR ≤1.15,隔离度≥27dB,相位差≤180°±0.5°,其中相位差如图8所示
㊂
图8　宽带平面巴伦相位差仿真结果
综上所述,构成2~18GHz 宽带波束网络的核心电路 Wilkinson 功分器和平面巴伦已经完成设计,性能指标符合要求,可以进一步开展整个宽带波束网络的仿真㊂
2.4　2~18GHz 宽带波束网络的设计
根据图1所示的方案框图,笔者在ADS 中搭建了2~18GHz 宽带波束网络的完整仿真电路模型,如图9所示
㊂
图9　2~18GHz 宽带波束网络的ADS 模型
9
电子信息对抗技术㊃第35卷2020年7月第4期
赵利群,胡助明
2~18GHz 宽带波束网络的设计
ADS 仿真结果分别如图10~14所示,所有仿
真结果汇总在表2中
㊂
图10　输入输出VSWR
的仿真结果
图11　
各端口插损的仿真结果
图12　差波束Δ1输入时,
各输出端口之间的相位差
图13　差波束Δ2输入时,
各输出端口之间的相位差
图14　和波束Σ输入时,各输出端口之间的相位差
表2　2~18GHz 宽带波束网络ADS 仿真结果汇总
指标仿真结果输入输出VSWR ≤1.35
隔离度≥30dB 插损≤12.2dB
Σ输入的幅度一致性≤±0.1dB Σ端口输入的相位一致性≤±0.1°Δ1输入的幅度一致性≤±0.1dB Δ1输入的相位一致性≤±0.1°Δ2输入的幅度一致性≤±0.1dB Δ2端口输入的相位一致性≤±0.1°
3摇结束语
利用Wilkinson 功分器和平面巴伦成功设计了一种2~18GHz 宽带波束网络㊂仿真结果表明,这种方法不仅实现了 和”与 差”功能,并且具有良好的VSWR㊁幅度一致性与隔离度,电性能指标优异㊂
本文提到的设计数据均考虑了薄膜和微印电路的工艺能力以及微组装工艺的实现能力㊂因此,尽管只公布了2~18GHz 宽带波束网络的设计方法以及仿真结果,但仍不失为一种值得参考的设计思路㊂参考文献:
[1]　SEYMOUR B C.A Class of Broadband Three -Port
TEM-Mode Hybrids[J].IEEE Transactions on Micro⁃wave Theory and Techniques,1968,16(2):110-116.
[2]　JONES E M T.Coupled-Strip-Transmission-Line Fil⁃
ters and Directional Couplers[J].IRE Transactions on Microwave Theory and Techniques,1956(4):75-81.
[3]　CRISTAL E G.Theory and Tables of Optimum Symmet⁃
rical TEM-Mode Couple-Transmission Line Direction⁃al Couplers[J].IEEE Transactions on Microwave The⁃ory and Techniques,1965,13(5):544-558.
1
9。