寬帶波導-微帶一分四功分器設計

2016-11-05 by:CAE仿真在線來源:互聯網

寬帶波導-微帶一分四功分器設計

劉文豹,楊自強,陳濤

(電子科技大學電子工程學院,四川成都611731)

摘要:提出一種Ka頻段寬帶一分四功分器的結構,采用寬帶波導E面T形結加波導-探針-微帶過渡的結構。對E面T形結構進行改進,實現寬帶功率二等分,然后兩路輸出通過波導雙路微帶探針過渡實現四路功率分配。使用三維電磁仿真軟件Ansoft HFSS對該結構進行仿真優化,結果表明,在26.5~40.0GHz內,回波損耗小于-20dB,傳輸損耗小于0.3dB。

關鍵詞:Ka頻段;寬帶,功分器,HFSS

中圖分類號:TN626文獻標識碼:A

0引言

功率分配器即功分器是將輸入信號功率分成相等或不等的幾路功率輸出的一種多端口無源微波網絡,用于功率分配或功率合成。其性能直接影響整個系統能量的分配和合成效率。隨著寬帶天線、寬帶濾波器等器件的不斷發展,對寬帶功分器的要求也越來越高,需求也越來越大。傳統微帶傳輸線功分器(如威爾金森、分支線電橋、環形電橋等),品質因數低,易實現寬帶,但具有損耗大,功率容量小等缺點。基于波導傳輸結構的功率分配器(如H面T分支、E面T分支、魔T等)損耗小于普通的平面傳輸線,具有功率容量大等特點,因而廣泛應用于高功率場合。單獨的波導傳輸結構的功率分配器在多路分配時結構較復雜、體積較大影響了其主要應用。由于射頻毫米有源電路皆采用微帶傳輸,本設計采用波導E-T功分結構加波導雙路探針微帶過渡的結構實現Ka全波段功率四路分配,可廣泛應用于毫米波固態功率合成電路中。

1寬帶波導T形結的設計和仿真

波導E面T形結是一種串聯分支,類似于微帶傳輸中的串聯分支線,這里將T形結對應的兩個端口作為輸出端口,獨立的那個端口作為輸入端口來分析其特性。以T和T~為參考平面,實際模型和等效電路如圖1所示。

由T形結的等效電路可知,波導寬邊的不連續性將引入一個串聯的阻抗。需引入一個額外的電抗元件來抵消這個串聯阻抗。本設計對常規的E-T波導功分結構進行改進,在分節處設置一些過渡的凸臺,改善其不連續性,可實現整個Ka頻帶內等功率分配,且輸入口阻抗匹配,圖2為該結構示意圖。

由圖2可知,改變幾個凸臺的高和寬可優化T型波導節的性能指標。使用仿真軟件Ansoft HFSS對該結構進行仿真優化,采用BJ320標準波導尺寸,波導寬為7.12mm,高為3.556mm,仿真結果如圖3(b)所示。由圖可知,在26.5~40GHz整個Ka波段內回波損耗小于-20dB,傳輸損耗小于0.05dB。兩輸出端口的反射系數和端口隔離度均約6dB。該結構完全滿足本設計一分四功分器的第一級功率分配指標要求。

2波導雙路微帶探針過渡的設計和優化

通常要求波導微帶過渡結構傳輸損耗低,回波損耗高,且應具有足夠的頻帶寬度,易裝卸且有良好的重復性和一致性,轉換結構與電路協調涉及,且便于制作加工。目前最常見的波導微帶過渡結構主要有波導-脊波導-微帶過渡形式、波導-探針-微帶過渡、波導-對極鰭線-微帶過渡等。其中波導-探針-微帶過渡是目前應用最廣泛的波導微帶過渡形式,這種結構的優點有插入損耗低,回波損耗小,頻帶寬,結構緊湊,體積小,加工方便,易裝卸,因而特別適合在毫米波領域里應用。

本設計采用波導-E面探針-微帶過渡結構,該結構的示意圖如圖4所示。矩形波導中的波導短路面與微帶探針距離D≈λ/4(λ為波長),因為這樣電磁波一個來回的傳輸距離為λ/2,可使波導內形成駐波,用來保證探針在波導中處于電壓最大值處,即電場最強處,以實現最大的耦合。由于探針過渡結構具有容性電抗,所以探針后面還需串聯一段高感抗線抵消其容抗。

通過優化探針寬W和長L、高阻線長W1和長L1來設計該過渡結構的指標。在波導寬邊中心線兩邊對稱放置2個相同的寬帶波導-探針-微帶結構,實現了波導雙路微帶探針過渡,使用仿真軟件HFSS建立模型,波導同樣采用國家標準BJ320標準波導,基板材料采用Rogers5880,介電常數為2.2,基板厚0.254mm,在Ka頻段,50Ω線寬0.77mm。模型結構如圖5(a)所示。對該結構進行優化可得,W=0.8mm,L=2mm,W1=0.44mm,L1=0.94mm時各指標最優,仿真結構如圖5(b)所示。由圖可知,該結構可實現波導端口的回波損耗小于20dB,傳輸損耗小于0.2dB,輸出相位相同。

3波導-微帶一分四功分器的仿真設計

利用改進優化的波導E-T型功分結構作為第一級功率分配結構,在T型節的兩臂上各加一個波導雙路微帶探針過渡結構,這樣便實現了波導-微帶的一分四的功率分配器的結構。使用HFSS軟件對該結構進行建模和仿真,模型結構如圖6所示,通過再次優化各個結構的可調節量優化設計指標。圖7為最終功分器仿真優化結果。由圖可知,本設計的結構在Ka全頻段內回波損耗小于-20dB,傳輸損耗小于0.3dB,各指標均能滿足要求。

3 結束語

本設計提出一種改進型的寬帶波導E-T功分結構加波導兩路探針微帶過渡的四路功分器結構。該結構兼顧了功分器的性能和體積2個要素,功率容量大。通過HFSS仿真軟件對該結構進行仿真優化可得該結構在Ka波段全頻段性能優異,回波損耗均小于-20dB,傳輸損耗小于0.3dB。本結構可廣泛的應用于寬帶固態功率合成等領域。

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