毫米波功分器综述

毫米波功率分配器

一、功分器简介

功率分配器简称功分器，基本功能是将输入信号功率分成相等或不相等的几路输出，是一种多端口微波网络，为无源器件，广泛应用于现代通信领域。常见的功分器有微带型、带状线型、波导型等。微带线型功分器常用于工程实践，尤以其中的Wilkinson功分器使用广泛。毫米波频段天线体积较小，传统的直接馈电结构难以实现，这时候便需要设计制作毫米波功分馈电网络来实现阵列的馈电。

二、35GHz一分八功分器

通过采用工字型及弧度设计的方式可以设计出工作在35GHz频率下的一分

八Wilkinson功率分配器。如下图所示为一分二功分器的基本模型。

整体设计上，通过圆弧减少反射，并对尖锐地方打孔，对变量及弧的弯曲度不断更正，将毫米波段的功分器设计的S11值降至-15dB以下。通过采用优化变量的方法用HFSS进行仿真分析，在取定范围内选出最佳数值。模型中采用的圆弧方式，也可以在一定程度上扩展带宽，但在功分八路情况下仍有带宽变窄现象。该功分器所得S参数结果对于位于毫米波段的功分器研究具有较好的参考价值

及应用前景。

三、32GHz~37GHz功分器设计

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 = 2 M。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。

第 2 种是可以先将输入按1:2不等分，然后再将初次分配后功率为2/3的

一支再二等分，结构如下图所示。

这样既可以三等分功率，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。

第三种采用对称结构的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。其模型如下图所示。

依照此模型所设计的功分器在32GHz~37GHz频段内驻波比小于1.5.，插损大于-6dB。而隔离度为-15dB以下。

四、毫米波一分八等幅同相功分器和等幅移相功分器设计

为了给毫米波相控阵进行馈电，分别仿真设计了毫米波频段的等幅同相一分八功分器和等幅移相一分八功分器。

该功分器计划用同轴馈电，根实际所用的同轴进行建模。由于功分器采用的是带线结构，因而需要对插入功分器内芯的地方进行适当处理。为了方便焊接，需要将介质基板和进行黏合的胶挖去一部分，预留足够焊接焊锡的空间。为了准确的模拟焊锡，仿真模型中与功分器馈线相连的内芯被一段用长方体金属块包裹，

实现由原来与馈线的线接触到现在面接触的改进。

馈线上方的介质和金属地被挖去后，这一段实际上变成了类似于微带传输线的结构，因此会在微带转变为带线的地方引入不连续性。为了尽量减小不连续性的影响，微带线装带状线的部分采用渐变结构。在传输线渐变转换部分上方金属地也添加了渐变结构，使得微带线渐变为带状线传输。仿真表面该渐变结构效果良好，极大得抑制了驻波的恶化。

虽然同轴馈电部分近似为微带传输线结构，但也同样需要在馈线两边打入金属柱以防止谐振的产生而导致功分器性能的恶化。

仿真结果表明该等幅同相功分器具有不错的性能，带内输出起伏在0.3dB以

内，不同端口的输出差值在±0.05dB以内，该功分器足以用于毫米波天线阵列的馈电。

而对于移相功分器，为了实现输出之间存在一定的相位差，一般会在一端的输出添加一段额外长度的传输线。由于多了一段传输线，不同级功分器之间的级联将很容易产生匹配恶化，最为直接的表现便是输出端幅度会有较大的起伏。各级功分器的匹配对于最终输出的起伏程度有着较大的影响

等幅移相一分八功分器结构及其性能参数如下图所示。

分析结果发现输出幅度的起伏确实有所恶化，但被控制在了±0.5dB以内，

满足了一定的设计要求。同时该功分器也有着不错的输入性能。

五、27~38 GHz 毫米波砷化镓微带功分器

对微纳结构中微带线之间的耦合对功率分配器性能的影响进行了一定的研究，在减小耦合效应和减小功分器尺寸之间取得一个折中，设计了一款毫米波集成功分器。该功率分配器利用0.25um GaAs IPD工艺加工制作，裸片大小为1100 um×840 um，并进行了片上测试。功分器结构如下图所示：

工作频带为26.95 GHz 到37.95 GHz。端口 2 和3的回波损耗小于-18.3dB，插入损耗小于0.4 dB。隔离度优于15.8 dB。

六、小结

本文主要介绍了几个工作在毫米波频段的功率分配器，简述了性能和基本结构。功率分配器作为功率分配与合成电路中的重要组成部分，它的性能好坏直接影响到整个系统的能量合成与分配效率。因此对功率分配器尤其是毫米波功率分配器的研究一直都将有着极大的意义。