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宽带波导-微带一分四功分器设计

2015-06-09 17:31阅读：

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宽带波导-微带一分四功分器设计
刘文豹，杨自强，陈涛
（电子科技大学 电子工程学院，四川 成都611731）
摘要：提出一种Ka频段宽带一分四功分器的结构，采用宽带波导E面T形结加波导-探针-微带过渡的结构。对E面T形结构进行改进，实现宽带功率二等分，然后两路输出通过波导双路微带探针过渡实现四路功率分配。使用三维电磁仿真软件Ansoft HFSS对该结构进行仿真优化，结果表明，在26.5~40.0GHz内，回波损耗小于-20dB，传输损耗小于0.3dB。
关键词：Ka频段；宽带，功分器，HFSS
中图分类号：TN626 文献标识码：A
0 引言
功率分配器即功分器是将输入信号功率分成相等或不等的几路功率输出的一种多端口无源微波网络，用于功率分配或功率合成。其性能直接
影响整个系统能量的分配和合成效率。随着宽带天线、宽带滤波器等器件的不断发展，对宽带功分器的要求也越来越高，需求也越来越大。传统微带传输线功分器（如威尔金森、分支线电桥、环形电桥等），品质因数低，易实现宽带，但具有损耗大，功率容量小等缺点。基于波导传输结构的功率分配器（如H面T分支、E面T分支、魔T等）损耗小于普通的平面传输线，具有功率容量大等特点，因而广泛应用于高功率场合。单独的波导传输结构的功率分配器在多路分配时结构较复杂、体积较大影响了其主要应用。由于射频毫米有源电路皆采用微带传输，本设计采用波导E-T功分结构加波导双路探针微带过渡的结构实现Ka全波段功率四路分配，可广泛应用于毫米波固态功率合成电路中。
1 宽带波导T形结的设计和仿真
波导E面T形结是一种串联分支，类似于微带传输中的串联分支线，这里将T形结对应的两个端口作为输出端口，独立的那个端口作为输入端口来分析其特性。以T和T~为参考平面，实际模型和等效电路如图1所示。
宽带波导-微带一分四功分器设计

由T形结的等效电路可知，波导宽边的不连续性将引入一个串联的阻抗。需引入一个额外的电抗元件来抵消这个串联阻抗。本设计对常规的E-T波导功分结构进行改进，在分节处设置一些过渡的凸台，改善其不连续性，可实现整个Ka频带内等功率分配，且输入口阻抗匹配，图2为该结构示意图。
宽带波导-微带一分四功分器设计


由图2可知，改变几个凸台的高和宽可优化T型波导节的性能指标。使用仿真软件Ansoft HFSS对该结构进行仿真优化，采用BJ320标准波导尺寸，波导宽为7.12mm，高为3.556mm，仿真结果如图3（b）所示。由图可知，在26.5~40GHz整个Ka波段内回波损耗小于-20dB，传输损耗小于0.05dB。两输出端口的反射系数和端口隔离度均约6dB。该结构完全满足本设计一分四功分器的第一级功率分配指标要求。
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2 波导双路微带探针过渡的设计和优化
通常要求波导微带过渡结构传输损耗低，回波损耗高，且应具有足够的频带宽度，易装卸且有良好的重复性和一致性，转换结构与电路协调涉及，且便于制作加工。目前最常见的波导微带过渡结构主要有波导-脊波导-微带过渡形式、波导-探针-微带过渡、波导-对极鳍线-微带过渡等。其中波导-探针-微带过渡是目前应用最广泛的波导微带过渡形式，这种结构的优点有插入损耗低，回波损耗小，频带宽，结构紧凑，体积小，加工方便，易装卸，因而特别适合在毫米波领域里应用。
本设计采用波导-E面探针-微带过渡结构，该结构的示意图如图4所示。矩形波导中的波导短路面与微带探针距离D≈λ/4（λ为波长），因为这样电磁波一个来回的传输距离为λ/2，可使波导内形成驻波，用来保证探针在波导中处于电压最大值处，即电场最强处，以实现最大的耦合。由于探针过渡结构具有容性电抗，所以探针后面还需串联一段高感抗线抵消其容抗。
宽带波导-微带一分四功分器设计


通过优化探针宽W和长L、高阻线长W1和长L1来设计该过渡结构的指标。在波导宽边中心线两边对称放置2个相同的宽带波导-探针-微带结构，实现了波导双路微带探针过渡，使用仿真软件HFSS建立模型，波导同样采用国家标准BJ320标准波导，基板材料采用Rogers5880，介电常数为2.2，基板厚0.254mm，在Ka频段，50Ω线宽0.77mm。模型结构如图5（a）所示。对该结构进行优化可得，W=0.8mm，L=2mm，W1=0.44mm，L1=0.94mm时各指标最优，仿真结构如图5（b）所示。由图可知，该结构可实现波导端口的回波损耗小于20dB，传输损耗小于0.2dB，输出相位相同。
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3 波导-微带一分四功分器的仿真设计
利用改进优化的波导E-T型功分结构作为第一级功率分配结构，在T型节的两臂上各加一个波导双路微带探针过渡结构，这样便实现了波导-微带的一分四的功率分配器的结构。使用HFSS软件对该结构进行建模和仿真，模型结构如图6所示，通过再次优化各个结构的可调节量优化设计指标。图7为最终功分器仿真优化结果。由图可知，本设计的结构在Ka全频段内回波损耗小于-20dB，传输损耗小于0.3dB，各指标均能满足要求。
宽带波导-微带一分四功分器设计
宽带波导-微带一分四功分器设计



3 结束语
本设计提出一种改进型的宽带波导E-T功分结构加波导两路探针微带过渡的四路功分器结构。该结构兼顾了功分器的性能和体积2个要素，功率容量大。通过HFSS仿真软件对该结构进行仿真优化可得该结构在Ka波段全频段性能优异，回波损耗均小于-20dB，传输损耗小于0.3dB。本结构可广泛的应用于宽带固态功率合成等领域。

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