一种叉指型超宽带多路功分器的设计和研究
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摘 要： 提出了一款一分三路的超宽带微带功分器，适用于通信频段3.1～10.7 GHz。为增强耦合强度，该功分器采用了叉指型微带三线耦合结构。结果表明，在尺寸接近的情况下，叉指型耦合可以获得更大的带宽。利用电磁仿真软件分析了该功分器性能，并给出了仿真和实物加工图，有效地验证了该设计方法。整个功分器的面积为32.7 mm×30 mm，由于采用表面印刷结构，使得功分器成本低廉、易于批量生产。
关键词： 超宽带功分器； 叉指型微带三线耦合结构； 电磁仿真软件； 印刷结构
中图分类号： TN92?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）07?0080?03
0 引 言
近年来，微波技术的不断发展使得毫米波频段的开发受到越来越多的关注。在毫米波通信、雷达、电子对抗系统中，无源微波器件已得到广泛的应用。特别是其小型化、低剖面、易于和微波电路集成的优点已经获得国内外学者广泛关注[1?2]。自2002年美国联邦通信委员会（FCC）将3.1～10.6 GHz之间的频段解禁并允许将其应用于超宽带设备中[3]以来，学术界和工业界呈现了一股超宽带（Ultra?wideband，UWB）技术的研究热潮。功分器作为超宽带系统中的核心器件，其超宽带特性的研究也成为学者们关注的焦点。早在1960年，Wilkinson就提出了等幅同相输出的功分器的拓扑结构，该方法目前已经在微波电路设计中得到了很好的应用。近年来，一些学者通过各种方式对传统Wilkinson功分器设计进行了改进[4]。实际应用显示，一分二的功分器已经满足不了当前的需求，多路功分器的研究显得格外重要。
本文根据Wilkinson功分器理论提出了一类应用微带三线耦合结构的平面超宽带功分器。利用叉指型耦合实现宽带特性，该功分器具有设计简单，结构紧凑的优势。通过仿真分析可以看出，该功分器有很好的阻抗特性、较高的隔离度和低的传输损耗，同时该功分器有较好的相位特性。
1 传统Wilkinson功分器原理
当输出端口都匹配时，传统Wilkinson功分器具有无耗特性，只是耗散了反射功率。因此，Wilkinson功分器具有隔离度高、功分端口相位一致性好、结构简单、能够实现各个端口同时匹配的优点。
传统的两分Wilkinson功分器是由一对1/4波长特性阻抗为[Zr]=[2Z0]的传输线构成，Z0=50 [Ω]是功分器的匹配阻抗。单枝节Wilkinson功分器可用的带宽是[fHfL=1.44]，驻波比小于1.22，插损小于-20 dB。Wilkinson功分器中电阻在提供输出端口匹配和隔离方面起了关键作用[5?6]。
是用特征阻抗[Z0]归一化所有阻抗后重新画出的电路图，并在输出端口接电压源
等效传输线电路
在归一化和对称形式下的Wilkinson功分器电路
对于Wilkinson功分器，可以确立一下[S]参量：
[S11=0 （在端口1，Zin=1）]
[S22=S33=0 （端口2和端口3匹配）]
[S12=S21=Ve1+Vo1Ve2+Vo2=-j2 （对称，由于互易性）]
[S13=S31=-j2] （端口2和端口3对称）
[S23=S32=0] （由于在剖分下的短路或开路）
当终端接匹配负载时全部端口都匹配，前面的S12方程成立。当功分器在端口1驱动并且输出匹配时，电阻不消耗功率。所以，当输出都匹配时功分器是无耗的，电阻只消耗从端口2或端口3反射的功率。因为S23=S32=0，所以端口2和端口3是隔离的[5]。
2 三线耦合谐振单元分析
本文设计的超宽带一分多路功分器的微带叉指型三线耦合结构是由3段长度为[14]波长的微带线构成，每段微带线的宽度和线间距分别为W2和W3，如图3所示。三线耦合单元电压与电流的分布如图4所示，可以看出三线耦合谐振器单元能够视作一个六端口网络。图5所示为三线耦合单元的等效电路图[7?9]。
文中采用电磁仿真软件HFSS 11.0对该功分器进行仿真，从而进一步研究该谐振单元的频率特性。仿真中微带线的介质材料厚度为1.0 mm，相对介电常数是2.2，尺寸为L1= 7.9 mm， W0= 3.0 mm，W1= 0.15 mm， W2=0.2 mm， W3=0.2 mm，仿真结果如图6所示，可以看出三线耦合谐振器具有良好的带通特性[8?9]。
3 功分器的设计与实现
本文所设计的一分三等幅同相功分器结构如图7所示，表1表示出了功分器的各几何参数。这类超宽带功分器由两部分组成，平行耦合线和缺陷地结构。[λg4]耦合线可以实现带通特性。采用三线耦合叉指结构代替双线耦合来增加耦合强度，从而获得更大的带宽。
三线耦合谐振器单元结构图
三线耦合谐振器单元电压与电流分布图
三线耦合谐振器单元等效电路图
仿真的三线耦合谐振器单元的S参数
功分器的结构图
本文采用Ansoft公司的电磁计算软件HFSS 11.0对功分器进行了仿真，分别为功分器的S参数图和隔离度图，可以看到，该功分器在3.4～10.7 GHz之间实现了良好的宽带特性；2、3端口和2、4端口的隔离度低于-13 dB；输出幅度不平度小于0.3 dB；相位一致度在1.5°以内。
功分器几何尺寸
[标号＼&长度 /mm＼&标号＼&长度 /mm＼&W0＼&3＼&L1＼&5.725＼&W1＼&0.75＼&L2＼&4.2＼&W2＼&0.75＼&LS＼&8.5＼&WS＼&0.55＼&LS1＼&2.35＼&WS1＼&2.4＼&R＼&3.475＼&WS2＼&0.9＼&Wgap1＼&0.165＼&]
功分器的S参数图
功分器的隔离度
本文在仿真设计的基础上加工了该一分三路等幅同相功分器。功分器的介质板采用介质常数为2.2、厚度为1 mm的介质基板，
结 语
本文提出了一类结合缺陷地结构的一分三路等幅同相超宽带功分器。该功分器利用三线耦合叉指型结构的传输线实现宽带特性，在超宽带内能够实现更好的匹配电路。功率在输出端口等分、插入损耗小、较好的回波损耗、输出端口幅度相位一致。在电路结构简单的条件下，实现了超宽带电路。
功分器的实物图
参考文献
[1] Federal Communications Commission. Revision of part 15 of the commission′s rules regarding ultra?wide band transmission systems [R]. Washington， D.C： Federal Communications Commission， 2002： 98?153.
[2] ROSLONIEC S. Three?port hybrid power dividers terminated incompex frequency dependent impedances [J]. IEEE Trans. on Microw. Theory Tech.， 1996， 44（8）： 1490?1493.
[3] CHEN F C， CHEW W C. Time?domain ultra?wideband microwave imaging radar system [J]. Journal of Electromagnetic Waves and Applications， 2003 （17）： 313?331.
[4] 黄森，谢小强，延波.18～40 GHz宽带Wilkinson功分器设计[C]//2011年全国微波毫米波会议论文集（上册）.上海：中国电子学会微波分会，2011：150?153.
[5] [美] POZAR David M.微波工程[M].3版.北京：电子工业出版社，2008.
[6] 贲倩倩，贾建华.多路多节功分器的设计与传输线问题的研究[J].电子技术，2008（9）：58?61.
[7] KUO Jen?Tsai， SHIH E， LEE Wei?Cheng. Design of bandpass filters with parallel three?line coupled microstrips [C]// Proceedings of 2001 APMC. [S.l.]： APMC， 2001： 157?160.
[8] 魏峰，黄丘林，史小卫，等.一种新型超宽带带通滤波器的设计与实现[J].微波学报，2010，26（3）：48?51.
[9] WEI F， CHEN P， CHEN L， et al. Design of a compact UWB bandpass filter with defected ground Structure [J]. J. of Electromagn. Waves and Appl.， 2008， 22： 1783?1790.