一种宽带功分器设计与分析

2010年11月第6卷第4期

系统仿真技术

Syste m S i m u l ation Tec hno l ogy

N ov .,2010

V o.l 6,N o .4

中图分类号:TN 821

文献标识码:A

一种宽带功分器设计与分析

苏 畅,李迎松,刘乘源,杨晓冬,姜 弢

(哈尔滨工程大学信息与通信工程学院,黑龙江哈尔滨 150001)

摘 要:为了解决全球卫星定位系统中圆极化天线的馈电问题,基于威尔金森功分器理论和宽带移相器理论,介绍了1种用于全球卫星定位系统的微带功分器。利用H FSS(高频结构仿真器)对关键的参数进行分析和评估,从仿真结果可以看出,所设计的功分器隔离度高,体积小,驻波比低,且具有移相功能,可以用在GPS(全球卫星定位系统),GALLEO ( 加利略 定位系统),GLON SS(俄罗斯的 格鲁纳斯 定位系统)和我国自己的COM PA SS 全球卫星定位系统中作为宽带圆极化天线和天线阵列的馈电网络。关键词:功分器;移相器;全球卫星定位系统;北斗

Desi gn and Anal ysis of aW i deband Power D ivi der

SU Chang,LI Yingsong,LIU Chengyuan,YANG X i a odong,JANG Tao

(Coll ege of Infor m ati on and C o mm un i cati on E ngi neerin g ,H arb i n Engi n eeri ng Un i versit y ,H arb i n 150001,Ch i na)

Abstract :A w i d eband pow er d iv i d er based on w ilkinson pow er div i d er and w ideband sh ifter w as pre sented fo r circularly po larized antenna fed net w o rk used i n G loble Po siti o n i n g Sy ste m.The key para m e ters o f t h e pow er div i d er w as ana lyzed and esti m ated by using e l e ctr om agnetic so lver ,H FSS (H i g h Frequency S tructure Si m ulato r).Fr om the results ,the pow er d iv i d er had higher iso lation ,s m a ll e r size ,low er V S W R (V o ltage Standing W av e Rati o ),and had a sh ifter .Therefo re ,the pr o po sed pow er div i d er can be used in GPS (G l o bal Position Sy ste m ),GALLE O,GLONSS and COM PA SS as a fed net w ork used i n circularl y po larized antenna and antenna array in G lob l e Po sitioni n g Sy ste m.Key words :pow er div i d er ;sh ifter ;g loble po sitioning sy ste m;COM PASS

基金项目:科技部中小企业技术创新基金资助项目(08C26212301759);哈尔滨市科技创新人才专项基金资助项目(2009RFKXG 010)

1 引 言

在微波电路中,为了将一路能量分成两路或者

多路,需要使用功率分配器。特别是近些年来,随着微波和毫米波的迅速发展,小型化、低剖面、易于和微波电路集成等优点已经成为国内外学者和工程技术应用广泛关注的热点之一。而微带电路由

于体积小、重量轻、便于和微波电路集成等优点,已经广泛地应用在星载、弹载和卫星导航系统中,如全球卫星定位系统GPS ,GALLE O,GLONSS 和我国自己的COM PASS 全球卫星定位系统[1-6]。随着深空通信的迅速发展,对小型圆极化天线和多模通信天线的需求在不断增加。

为了解决圆极化天线的设计问题和单一系统覆盖空白及定位精度低的问题,需要开发1种

系 统 仿 真 技 术第6卷第4期

多模通信终端的全球定位系统,因此开发具有多模通信终端的全球导航系统的圆极化微带天线和相应的馈电网络已经成为研究的热点和重点。文献[1]设计了基于L 形探针的圆极化微带天线,但是结构比较复杂,且生产加工精度差。文献[2]提出了1种T 形馈电的圆极化天线,实现了馈电网络和天线单元的集成,但是其带宽窄,限制了圆极化天线的带宽和天线的阻抗带宽。随后国内外的学者提出了一系列的圆极化微带天线[3-5],但是结构复杂,馈电多采用简单的3dB 耦合器结构,因而带宽相对较窄,且隔离度较差,没有得到广泛的应用。

本文基于文献[6]设计了一款宽带功分器,其主要特点是采用W il k inson 功分器理论,开路、短路理论和宽带移相器原理设计带有移相器功能的宽带功分器。通过对功分器的回波损耗、驻波比、阻抗特性、隔离度和移相特性的仿真分析,最后得到可用于GPS 和L 波段通信的宽带功分器。

2 基本原理

2.1 W il k i n son 功分器原理

功分器是1种将一路输入信号能量分成两路或多路输出相等或不相等能量的器件,也可反过来将多路信号能量合成一路输出,此时也可称为合路器,一个功分器的输出端口之间应保证一定

的隔离度[6-8]。常见的W ilk i n son 功分器的基本结构如图1所示。!端口为信号输入端口,∀、#端口为信号输出端口。

图中:R 0=2Z 0,Z 1=Z 02,Z 0为50 ,Z 1段的长度为 /4。

R 0作为隔离电阻,采用高频纯电阻,尺寸尽量小,以避免产生分布参数,从端口!输入的信号到达隔离电阻的两端,被分成幅度相等、相位相等的两路信号∀和#,且在隔离电阻上实现无差模传输,不消耗功率,在不考虑传输线损耗的情况下,其毎路输出功率降低3dB ,从而实现功率的分配。R 0

的引入同时也增加了两路输出之间的信号隔离度,

在仿真的时候才用RLC 边界来模拟R 0。

图1 W il k i n son 功分器的基本结构图F i g .1

Struc ture of the W ilkinson p o wer d ivi der

2.2 宽带移相器理论

本文采用的移相器采用开关网络结构,每个

网络都有两个路径A 和B ,其中D 1∃D 4为开关二极管。所采用的基本结构为图2a 和图2b 。对于图2a 所示的结构[9],有S 11=S 12=0(1)S 33=S 44=

121-j W 11+j W 1+

1+j W 21-j W 2(2)

!T (f )=-∀1(f )+#- arctan

1+W 1(f )W 2(f )W 1(f )-W 2(f )(3)

W j =Y ∃

m tan ∀m 2

(-1)

j+1

+(-1)j 2Y ∃

s cot 2∀s

, j =1,2

(4)

式中:∀m =#f ∃

;f ∃

为输入频率;∀s =(#/4)f ∃

;Y ∃

m ,Y ∃

s

为特性导纳;f 为设计频率。

对于图2b 所示结构[9],有

S 11=S 22=

1

2(cos ∀a -jsin ∀a )%1-j T 111+j T 11+

1+j T 12

1-j T 12

(5)S 33=S 44=

121-j T 211+j T 21+

1+j T 22

1-j T 22

(6)

!T (f )=-∀a (f )-&

2

(-1)j+1%

arctan

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