（电路与系统专业论文）毫米波天线和功分器的研究.pdf

摘要 天线技术作为无线通信领域的关键技术之一，对通信系统的整体结构和性能起着举足轻 重的作用随着通信和导航系统的飞速发展，系统对天线指标的要求也越来越高。微带天线 由于具有低刹面、重量轻和价格低等特点，因而适合于多种应用系统，但是单个微带天线的 增益比较低，波束指向难以改变，因此通常需要采用组成阵列的方式以克服上述不足。目前， 高增益、低互耦和宽波束的微带天线阵列已经成为研究和开发热点之一同时，和天线阵相 匹配的功分器也随之广泛应用 本文主要研究了用于天线阵的毫米波天线及功分器，主要工作是： 1 、研究设计了三种常用的毫米波天线单元在分析了相控阵系统对天线的要求的基础上， 选择了三种常用的毫米波天线形式：v i v a l d i 天线，对跖天线，双面扳子天线，应用电磁仿 真软件对以上三种天线进行具体研究，主要是结构参数，如基板的厚度，贴片的长度、缝隙 的大小和位置等对天线性能的影响。以此为基础，根据仿真结果，将以上三种天线作比较 2 、以振子天线作为主要研究对象，借助a n s o f th f s s 仿真分析了互耦等天线的指标特性， 研制了单个天线单元实物样品并作测试。在上述工作的基础上，研制了1 6 xl 的双面扳子天 线阵列，并进行了实测，其指标达到预定要求 3 、研制了适用于毫米波段的功分器首先分析威尔金森功分器的原理以及其在毫米波段 不适用的原因，然后在威尔金森功分器模型的基础上提出一种适合在毫米波段使用并且具有 高隔离度的功分器的设计思路，设计出一种适用于毫米波段的一分二功分器。借助于c s t 仿 真软件设计出基本模型。 【关键词】毫米波天线振子天线功分器 i l l 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a n t e n n at e e l m o l o g y , a 5o n eo ft h ek e yt e x h n o l o g i e so fw i r e l e s se o m n m t m i e a t i o md o m a i n h a s s i g n i f i e a , ti n f l u e n c e t h ew h i l ec o n f i g u r a t i o na n dp e 响m c eo f c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m s w i 也 t h ef a s td e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o n sa n dn a v i g a t i o ns y s t e m s ，t h er e q u i r e m e n t sw i t hr e p e e tt o a n t e n n aw h i c hs y s t e mg i v e sb e c o m eg r o w i n g l yh i g h m i e r o s l r i pa n t c l l l l aw h i c hh a st h i ns e c t i o n , u g h lw e i g h ta n dl o wp r i c ea d a p t st ov a r i o u sa p p l i e a d o ns y s t e m s b u tf o rs i g l em i e r o s t r i pa n t c t m a e l e m e n t , t h eg a i ni sr e l a t i v e l yl o wa n di ti sc h a l l e n g i n gt os h i l lt h eb e a md i r e c t i o n t h e r e f o r e i n o r d e rt oo v e r c o 瓣t h ed r a w b a c ka b o v e i ti sa l w a y st oa d o p tt h em e t h o do f m i c r o s t r i pa l l t c n n aa r r a y c u r r e n t l y , m i e r o s t r i pa n t e n n aa r r a yw h i c hh a sh i g l lg a i n , l o wc o u p l i n ga n d 州d eb e a m w i d t hh a s b e c o m eo n e o f t h e h o t t e s t f i e l d s o f r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t m e a n w h i l e p o w e r d i v i d e r s w h i c ha m m a t c ht h ea n t n l n aa n a ym w i d e l yu s e d i nt h i sp 辨t h er e s e a r c ho i lm i c r o w a v ea n t e n n aa n dp o w e rd i v i d e ru s e di np h a s e da n t e l m aa n d a r r a yw o u l db ei n t r o d u c e da sf o l l o w s ： ( 1 ) d e s i g ns e v e r a lm i e r o w a y ca n t e = l l n a s f i r s t l y , a n a l y z et h en e e d so fa l l t e n n a sc a l l f o rb yt h e p h a s e da n t a i n a t h e nb a s e d t h en e e d so fp h a s e da n t a l l n as y s t e m , ls e l e c tt h l t ek i n d so f m i c r o w a v ea 口r l t e m l a s ：v i v a l d ia e m a a n t i p o d a la n t e m l a , d o u b l e - f a c e dd i p o l ea n t a l n a t h e n m a k i n gr e s e a r c ho nt h e s ea l l t c l m a su s i n gs i m u l a t i n gs o f t w a r e ，m a i n l yo i ls l l l l c t l l r ep a m m e t e l m , s u c h t l a i c k n e c , so f p l a t e ，l e n g l h o f p a t c h , s i z ea n d p l a c e o f s l o t w l a i e h m a ya f f e c t t h e ；n l t c l l n a s p e r f o r m a n c e a c c o r d i n gt o t h es i m u l a t i n gr e s u l t , a f t e rc o m p a r i n gt ot h e s et h r e ek i n d so f a l l t e , l l n a s w ew o u l ds e l e c ta l la l r l t c n l l au n i t s u i t e df o rt h ep h a s e da l l l e l l l l aa r r a y ( 2 ) b a s e do nt h ec o l l t p 。g i s o nt ot h e , i v a l d ia n t e n n a , a n t i p o d a ja l l t c n l l 丑d o u b l e f a c e dd i p o l ea n t e n n a , c h o o s et h ed o u b l e - f a c e dd i p o l ea l l t c l l n at ob cr e s e a r e l ao b j e c tw h i c hi ss u i t a b l ef o rp h a s e d a n t c n n aa n a y a sp h , a s e da n t e r m ah a ss p e c i a lr e q u e s tf o rt h eg a t i n gl o b e 。l a r g e s ts c a n n i n ga n g l e a n dt h em u t u a lc o u p l i n g ，a n a l y z et h em a i nl e a s o l lw h i c ha f f e c t st h ep e r f o r m a n c eo fa l l l t e n l n d e v e l o pt h ea n t e r m as a m p l e sa n df i n i s ht h et e s t ( 3 ) d e v e l o pa1 - 2p o w e rd i v i d e rw h i c hc a l lb eu s e dn o r m a l l ya tm i l l i m e t e rw a v eb a n d f i r s t l y , a n a l y z et h et h e o r yo fw i l k i n s o np o w e rd i v i d e ra n di t su m , e l i a b i l i t yw h e nw o r k i n ga tm i l l i m e t e r w a v cb a n d t h e nb a s e do nt h i s p r i n tan c wk i n ko f p o w e rd i v i d e rw h i c hh a sb e t t e ri n s u l a t o ra t m i l l i m e t e rv t t a v eb a n d d e s i g nt h eb a s l em o d eb ys o f t w a r ec s t k e y w o r d s lm i l l i m e t e r w a v e a n t e l u l a ，d i p o l e a n t e m x a , p o w e r d i v i d e i v 东南大学硕士学位论文 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料与我 一同工作的同志对本研究所傲的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：兰仁丝日 期：塑多弓 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理 研究生签名：茎 垒! 垒导师签名： 期：扣8 ；多 第1 章绪论 1 1 毫米波天线概述 第一章绪论 自从1 9 7 0 年代以来，美日欧等先进国家开始进行毫米波雷达及通讯的研发。以往毫米 波系统都是用于军方及科学界，现今商业用途也慢慢发展起来，如汽车防撞雷达、点对多点 服务( l m d s ) 、卫星网络系统( t e l a d e s i cs y s t e m ) 、短距点对点通讯、无线区域网络( w l a n ) 等等【1 】- 7 】。由于毫米波的波长短，因此毫米波器件具有体积小、天线波束窄、抗干扰性佳 等优点 毫米波天线的设计一般采用反射面天线、喇叭天线、平面微带天线阵列、漏波天线及透 镜天线等【8 】【1 5 】反射面天线及喇叭天线属于传统的天线，两者均属于机械式结构，所占 体积较大，天线波束无法用电子扫描( e l e c t r i c a ls c a n n i n g ) 微带天线阵列为平面结构，容易 与收发电路整合，甚至做成机体电路。同时其平面构造也方便与周围物体结合，减少对外观 的影响，对商业上的应用有正面效益。微带天线一般采用传输线( 如徼带线或共面波导) 馈 电，这些传输线网络分布于整个阵列平面内。在毫米波频段由于传输线损耗较大，溃入线路 的损耗会比较大，馈电线路的损耗会降低整个天线阵列的增益。不过这个损耗可以靠t r 组 件补偿。 在毫米波段，常用的阵列天线单元主要是微带天线。微带天线比常规的微波天线具有更 多的调节参数。微带天线可以设计成各种几何形状和尺寸一般，微带天线可分为四种基本 类别：微带贴片天线、口径耦合微带天线、印制偶极子天线和微带行波天线。他们各有特点， 不能笼统地说哪一种更好 ( 1 ) 微带贴片天线。它由在介质基片一面的任何平面或非平面几何形状的辐射贴片和 另一面的接地面构成。其行为特征就象一个偶极子典型地，贴片天线的增益为5 6 d b ，半 功率波束宽度( h p b w ) 在7 0 0 9 0 0 范围内。 ( 2 ) 口径耦合微带天线。它包括在接地基片的接地面上的一个缝隙，该裂缝可以是任 何形状。口径耦合天线通常是双向辐射器，即它们在缝隙的两侧进行辐射。利用缝隙一个侧 面上韵金属反射板就可以获得单向辐射这种馈电方式是将两种元件进行物理分隔并采用最 佳基片分别用于辐射和馈电。利用不同介电常数基片构成的多层结构，极大地改善了微带天 线的特性。 ( 3 ) 印制偶极子天线。它与矩形贴片天线在几何上的区别在于其长宽比。偶极子的宽 度典型值小于0 0 5 , t 。印制偶极子是一种很有吸引力的单元，已在阵列天线中得到广泛的运 用，因为与其它的微带天线相比，它们所占的面积较小。偶极子非常适合于高频，此时基片 的电尺寸可以是厚的。因此，实现了显著带宽。印制偶极子中，馈电机理的选择是很重要的， 所以。馈1 源的考虑也应该包括在天线分析设计中 ( 4 ) 馓带行波天线。目前最常见的微带行波天线是渐变槽线天线和v i v a l d i 行波天线 此类天线正面开槽，背面采用微带线馈电。此类槽线的缝做的相当宽的时候缝隙就可以辐 射电磁场，一般缝中的波导波长达到自由空间的波长4 0 的时候。辐射就可以产生。当微带 7 东南大学硕士学位论文 馈线和槽线匹配良好的时候，可以得到很宽的带宽。 1 2 本文的内容 本文的主要工作： 】、研究设计了三种常用的毫米波天线单元。在分析了相控阵系统对天线的要求的基础 上，选择了三种常用的毫米波天线形式：v i v a l d i 天线，对跖天线，双面振子天线接着应 用电磁仿真软件对以上三种天线进行具体研究，主要是结构参数，如基板的厚度，贴片的长 度、缝隙的大小和位置等对天线性能的影响。以此为基础，根据仿真结果，将以上三种天线 作比较。 2 、以振子天线作为主要研究对象，借助a n s o f th f s s 仿真分析了互耦等天线的指标特 性，研制了单个天线单元实物样品并作测试在上述工作的基础上，研制了1 6 1 的双面振 子天线阵列，并进行了实测，其指标达到预定要求。 3 、研制了适用于毫米波段的功分器。首先分析威尔金森功分器的原理以及其在毫米波 段不适用的原因，然后在威尔金森功分器模型的基础上提出一种适合在毫米波段使用的功分 器设计思路，设计出一种适用与毫米波段的1 分2 功分器。借助于c s t 仿真软件设计出基 本模型并在此基础上进行实物测试，其指标达到预定的要求。 本文的章节安捧如下： 第一章为本文的绪论，首先介绍了本文的工作背景，然后对毫米波天线进行了简单的介 绍，最后简要的介绍了本文的主要工作。 第二章介绍了几种常用的毫米波天线单元。首先提出了相控阵对天线的指标要求，然后 根据要求介绍了v i v a l d i 天线，对跖天线，双面振子天线的设计过程最后主要分析了仿 真结果，将三种天线分别作了对比，找出比较适合作相控阵天线阵列的单元 第三章介绍了双面振子天线阵列。根据阵列栅瓣、最大扫描角以及互耦的要求设计出 合适的阵列结构。然后给出设计流程：单元组阵、天线单元间互耦分析、实物测试等 第四章介绍了毫米波天线馈电网络的设计。根据实际情况给出在k a 波段能够实现并正 常使用的功分器设计首先叙述功分器的背景介绍、然后是单元设计、仿真分析等。 第五章对本文工作进行总结，并提出下一步的工作设想。 8 第2 章 第2 章毫米波天线单元的研究 本章主要介绍了几种在毫米波段常用的天线单元：v i v a l d i 天线，对跖天线，振子天线 并根据毫米波相控阵对天线的要求，对以上三种天线分别进行了分析，提出相应的设计方案 借助于电磁仿真软件a n s o l l h f s s 和c s t ，对每种天线进行了仿真，分析各个天线的具体参 数对输入阻抗和反射系数的影响给最佳仿真结果。最后根据仿真结果，将三种结构的天线 作比较，根据相控阵天线单元的要求，选择出适合的天线单元，作为进一步研究的对象。 2 1 天线单元的指标要求 天线要求： a )工作频段：k a 波段( 中心频率在3 5 g h z ) b ) 带宽：大于1 g h z ( v s 职 z ：怒：4 ”1 r 7 。器器= 图2 2 13 5 g h z 下的h 面方向图 1 7 艮一 东南大学硕士学位论文 2 5 4 振子天线仿真结果分析 由以上仿真结果可以看出，本文中的振子天线工作的中心频率为3 5 5 g h z - 2 0 d b 的带 宽是3 7 5 g h z 1 0 d b 的带宽到达1 0 g i - l z 以上可见其驻波特性远远好于上v i v a l d i 天线和 对跖天线。 从方向图上可以看出，天线的旁瓣基本不影响主瓣。其方向图特性远远优于对跖天线 所以通过以上三种天线仿真结果的比较，我们发现，从机械加工难易程度，天线的驻波 特性以及天线的方向性各个方面综合考虑，振子天线都远远优于v i v a l d i 天线和对跖天线。 所以，将重点研究振子天线及其阵列 第3 章 第3 章天线阵列的研究 本章主要介绍了一个应用，可用于相控阵系统的天线阵列。首先叙述了相控阵系统中天 线阵列单元的选择和阵元间互耦的分析针对微带振子天线，在仿真基础上做单元天线的实 验样品测试，在此基础上设计了1 x 3 和l x l 6 的天线阵，它具有结构简单，易于和t r 组件 连接，性能较适宜等特点。为了解决天线单元尺寸小，相邻两个天线不能安装两个接头以测 量互耦参数的问题，本章通过实际测量相邻天线驻波的影响，评估互耦对驻波的影响，以指 导天线的研制。实测结果表明该天线阵列具有较好的驻波和互耦性能 3 1阵元间的互耦分析 微带天线阵列单元之间存在的耦合在阵列的设计中是非常重要的，因为它可能引起多个 单元与其馈线的失配和阵列方向图的畸变。 3 1 1 天线阵列的互耦概念 对于处在阵列中的单元( f a 称阵元) ，当其均被馈电时，其中o o 号阵元受到周围邻近阵 元耦合的情况，如图3 - 1 所示图中。代表对应于m 号阵元的激励电压对0 0 号阵元感 应电压( 幅度和相位) 的耦合系数。相邻各阵元对0 0 号阵元耦合信号的矢量和将在其通道 内形成一个向0 0 号阵元的激励源方向传输的波，即在0 0 号阵元中产生反射，从而影响阵元 的阻抗。因此，互耦效应是由各阵元之间的能量耦合引起的 翟蓄 4 04 2m n 图3 - 1 相邻阵元间的耦合 3 1 2 互耦对阵元输入阻抗的影响 为 下面将用互阻抗法来分析阵元间的互耦对输入阻抗的影响。 假设阵元都各自接有独立的馈源，在考虑到互耦效应的影响后。各阵元端口的输入电流 【q = i z 1 p 1 ( 3 1 ) 1 9 东南大学硕士学位论文 第f 个阵元端口的输入电压应为： k = 乙l 问 式中乙为第f 个阵元的自阻抗，磊为其余阵元引入的互阻抗 中第f 个阵元的输入阻抗z d 为： 乙；孚：艺乙粤 j j = t 1 j 3 1 3互耦对阵元方向图的影响 ( 3 2 ) 因此，考虑互耦影响时阵列 ( 3 3 ) 由于阵元问电磁互耦的存在，阵元辐射方向图与孤立单元的辐射方向图不同。而且，对 于有限数目阵元组成的阵列，由于各阵元在阵列中所处的位置不同，各阵元的方向图也不同。 理论上，只有在无限大阵列中，由于各阵元在阵中所处环境相同，各阵元的辐射方向图才有 可能相同。如果忽略互耦影响，即乙- - - o ( i j ) ，则所有感应电流j ，- o 此时，阵元方 向图就是孤立元的方向图 3 2 阵列单元选择与分析 通过上一章对三种毫米波段常用的天线单元的研究我们可以看到，从天线的驻波特性 以及天线的方向性各个方面综合考虑，各个天线的优缺点各不相同。我们通过表3 - 1 座以各 总结： 表3 - 1 天线性能对比 驻波特性 方向性 v i r a l d i 天线较好较好 对跖天线较好有偏差 双面振子天线较好良好的端射性 从上一章的仿真结果来看( 见上表) ，对跖天线的驻波特性都优于v i v a l d i 天线，但是 他的方向性不是很好，出现了较大的偏差。而且由于我们对于天线尺寸的限制，在仿真过程 中发现要让对跖天线的中心频率在3 5 g h z 比较有困难。所以这里的对跖天线不适宜作为本 文要求的相控阵天线单元。 双面振子天线的性能在这三种天线的比较中表现较为优越，它机械加工简单，驻波特性 良好，而且具有较好的端射特性。所以综合考虑，本章的重点我们集中在双面振子天线组阵 的研究。 第3 章 3 3 双面振子天线相控阵的研究 3 , 3 1 双面振子天线相控阵的基本要求 3 4 1 1 天线单元尺寸要求 为了避免栅瓣的出现，根据最大扫描角的不同，要求天线单元之间的间距与波长的比值 小于一定值。这样随着系统工作频率的增高、波长的变短。天线单元之间的实际间距将变得 很小，比如系统工作在在3 5 g h z ，如果天线的最大扫描角是6 0 度那么天线单元之间的间 距要小于4 6 m m 。在这样小的间距条件下，不仅要解决有关单元天线的问题还要解决天线 单元的互耦引起的相应问题，例如互耦对天线工作频率的影响，互耦引起的扫描盲角互耦 的大小计算和测试等等，这些问题对天线阵列的设计、加工和测试都提出了一系列的要求 3 4 1 2相控阵互耦的要求 互耦将改变单元天线的工作频率，特别是随着天线扫描角的不同，改变的程度也不一样， 如果单元天线工作频带过窄，加上在毫米波频段，仿真设计和加工的误差相对较大，有可能 单元天线组成阵列后，实际工作频率跑到天线设计的工作频带之外。因此作为单元天线，其 带宽应该尽可能宽一些，以避免上述问题的出现。 3 3 2 双面振子天线的测试结果 3 4 2 1单个天线驻波仿真及测试结果 图3 2 是单个天线的驻波的仿真结果，从图中可以看出，天线驻波最小的频点在 3 5 5 g h z ，- - 2 0 d b 的带宽是3 7 5 g h z ；图3 3 是单个天线的测试结果，从图中可以看出，天 线的驻波频率曲线比较平缓，这是仿真没有考虑损耗的影响，因为实际天线的损耗相对大一 些。实测驻波最小的频点在3 6 g h z ，最小驻波是- - 2 9 3 d b 。- - 2 0 d b 的带宽是2 4 8 ( ；h z 图3 - 2 单个天线驻波仿真结果 2 l 一一 一 东南大学硕士学位论文 i a 坤 m m m o m ，- 一 西 、 ， ， 柚 a t* 图3 3 单个天线驻波测试结果 3 4 1 3 两元阵其中一个天线驻波及两天线互耦仿真及测试结果 图3 - 4 是e 面两元天线阵其中一个天线的驻波和两个天线之问互耦的仿真结果，从图中 可以看出，由于互耦。天线驻波最小的频点偏移到3 6 g h z ，驻波变大，驻波带宽也窄一些； 另外在工作频段，两个天线的互耦较小，不到- - 2 0 d b 。图3 - 5 是两天线阵其中一个天线的驻 波的测试结果，从图中可以看出，天线最小驻波的频点在3 6 g h z ，一2 0 曲的带宽是2 ? s g h z 。 互耦对天线驻波的影响不大。 图3 _ 4 两元阵其中一个天线驻波及两天线互耦仿真结果 4加艟舢m邶脚茁捌善墨 望粗鲁竹 第3 章 、- ， 八、厂： 图3 5 两元阵其中一个天线驻波测试结果 3 4 2 31 3 天线阵列中间一个天线的驻波的仿真及测试结果 图3 6 是e 面1 3 天线阵列中间一个天线的驻波的仿真结果，图3 - 7 是其测试结果。 从图3 - 6 和图3 7 可以看出，无论是仿真还是实测结果。驻波与频率的关系曲线形状类似于 单个天线或两元阵的情况，说明互耦对驻波的影响还不是很大。 墨 督 誓 图3 - 6 三元阵中间一个天线驻波仿真结果 、 、o 、一 图3 7 三元阵中间一个天线驻波测试结果 4伦伸伯丑甜蕾 奎壹奎堂堡主兰竺望苎 = 3 4 1 4 i 1 6 天线阵中间一个天线驻波仿真及测试结果 图3 81 1 6 实物图 图3 - 9 是e 面1 1 6 天线阵列中间天线的驻波的仿真结果，图3 - 1 0 是其测试结果从 图3 一1 1 和图3 1 2 可以看出，仿真得到的驻波与频率关系曲线与前面单个天线、两元阵和三 元阵的情况相似，但实测的驻波与频率关系曲线与前面的单个天线、两元阵和三元阵的情况 稍有差异，主要是频带中某一段的驻波稍大一些。阵列中其余单元天线的情况也类似。 晕 螺 罐 锅率，g 图3 - 9l 1 6 天线阵中间一个天线驻波仿真结果 、 o一 a| 、h y 图3 1 0l 1 6 天线阵中间一个天线驻波测试结果 3 4 2 5 天线方向性测试结果 图3 1 l 和图3 一1 2 分别是天线e 面和h 面方向性的测试结果，它包括单个天线、两元阵 4 4加圯舢舶舶锄茁墨茹甚 第3 章 中的一个天线和三元阵中问的一个天线的三种情况。从图中可以看出，随着相邻天线的出现 互耦对天线影响主要体现在旁瓣上对主瓣的影响不是很大。 3 3 3 结论 图3 1 1 天线e 面方向性图测试结果 1 -100-0 5 0 1 1 q i e d e w e e s ) 图3 1 2 天线h 面方向性图测试结果 在天线阵列中，由于互耦的影响会出现“盲视现象”又由于为了减小栅瓣，天线的宽 度也受到限制，在毫米波段这个尺寸就变得非常小。从而减小互耦和减小栅瓣就成为一组矛 盾。设计毫米波段的天线阵列就需要很好的解决这一对矛盾。 o 加 m 茄 e暑4正co薯哥正 东南大学硕士学位论文 第4 章毫米波段的功分器研究 本章主要介绍一种新型的能够工作在毫米波段的输入端口之间高隔离功率合成器。传统 的威尔金森功分器不适用于毫米波段首先威尔金森功分器在隔离电阻与两条输出传输线的 交汇处之间的距离是四分之一波长，可是在毫米波段四分之一波长非常短( 3 5 g h z 时只有1 毫米左右) ，若使用在功分器的拐角处则太短，弯不过来。其次威尔金森功分器的关键是 加入了隔离电阻。但是目前还没有可用于毫米波段的集中参数隔离电阻。所以本章旨在研究 一种改良的可以在毫米波及以上波段使用的新型功率分配器。首先以功分器为背景，介绍了 三端口网络的基本特性，接着着重讨论了传统的威尔金森功分器以及它在毫米波段应用时的 不足，然后介绍了一种改进的威尔金森结构的一分二功分器。通过c s t 软件仿真，显示其不 仅能应用于毫米波级以上频段，并且在两个输入端之间拥有较高隔离 4 1 功分器概述 4 1 1 功分器背景知识 在微波系统中，常需要将某一输入功率按一定的比例分配到各分支电路中，我们经常使 用的定向耦合器就是一种功率分配器，但定向耦合器的结构较复杂，其功率分配的比值又往 往与频率有关；而在较复杂的功率分配支路中( 特别是微带电路) 所需元件较多，就需要采 用结构比较简单的功率分配器。功率分配器的基本要求是：输出功率按一定的比例分配，各 输出口之间要互相隔离以及各输入输出口必须匹配 3 6 。 功率分配器可分为二进制和累进制等，见图4 1 功率可以是等分的，也可以是不等分 的。二进制分功率器结构和分析都比较简单，用得也较多 二进制累进制 图4 - 1 分功率器类型 3 6 第4 章 4 1 2 三端口网络 兀： 一分二的功率分配器是一种三端口网络，任意三端口网络的散射矩阵有九个独立的矩阵 s = s l ls 1 2 墨3 s 2 1s 2 2s 2 ， s 3 ls 3 2s 3 】 ( 4 1 ) 若该器件是无源的，不包含各向异性材料，则它必定是互易的，因而其 s 矩阵必定是对称 的( s u = s j ) 通常。为了避免功率损耗我们希望网络是无耗的且所有端口都是匹配的- 然而，容易证明，构建这种网络是不可能存在的 若所有端口是匹配的，则有s 。= 0 ，并且若网络是互易的，则散射矩阵式( 4 1 ) 可简 化成： s = 0 s 1 2 s 1 2 0 s l ，s 2 ， ( 4 2 ) 现在，若网络也是无耗的，则能量守恒式s h s ；= o f ，要求散射阵是幺正的，这会 t l i 导出下列条件 3 7 3 8 】： 1 2 + 刚2 = 1 刚2 + 陟1 2 = 1 m 2 + 刚2 = 1 跣s 2 3 = 0 s 二s 1 2 = 0 s f , s 1 3 = 0 ( 4 3 ) ( 4 4 ) ( 4 5 ) ( 4 6 ) ( 4 7 ) ( 4 8 ) 式( 4 6 ) 一( 4 8 ) 标明( s 1 2 ，墨3 ，s 2 3 ) 这三个参量中至少两个必须为零。但该条件总是和 式( 4 3 ) 一( 4 6 ) 中的一个相矛盾，表明该三端口网络不能是无耗的、互易的和全部端口 匹配的。假如这三个条件中任意一个条件放宽了，则这种器件在实际上是可实现的。 东南大学硕士学位论文 4 1 3 二等分功率器 x | | 4 图4 - 2 二等分功率器 ( 2 ) z o z o ( 3 ) 一个二等分功率器见图4 - 2 。其输入线和输出线特性阻抗都是z 。，输入和输出口间的 分支线特性阻抗为z i ，线长为以4 对功分器的主要要求有：当( 2 ) ( 3 ) 端口问棼匹配 负载时，在输入的( 1 ) 端1 3 无反射，反过来，对( 2 ) ( 3 ) 端口也如此。( 2 ) ( 3 ) 两输出端 口功率按一定比例分配，( 2 ) ( 3 ) 两输出端e l 之间互相隔离。 为了满足输入端口( 1 ) 的无反射条件，必须z l = q 2 z o 因为当( 2 ) ( 3 ) 两输出臂 接匹配负载后经以4 反映到( 1 ) 端口的并联导纳为2 i l o ，如要匹配t 则必须： 2 舞= 百1 ，或弘2 z ； 故 z = , 2 z o ( 4 9 ) 从图4 - 2 中可以直接看出：由于( 2 ) 及( 3 ) 两路结构上对称，故功率是平分的。 跨接在a 、b 两点上的电阻r 是为了起到( 2 ) ( 3 ) 两端1 3 之间互相隔离的作用。当信号 由( i ) 端口输入时，a 、b 两点等电位，故r 上没有电流，相当于r 不起作用；而当( 2 ) 端e l 有信号输入时，它就分两路( a e 和a o b ) 到达( 3 ) 端口，适当选择r 及a 的值，可使 此两路信号相互抵消，从而使( 2 ) ( 3 ) 两端口得到隔离。r 的位置与接r 的引线长短有关， 故要调整决定 至于这个隔离电阻r 的数值是多少，我们省略推倒过程，直接给出结论： r 辱：掣磁 n z 0z o ” 此即表示当r = 2 z 。时。经由r 分到b 的电流经由t 网络分到b 的电流相互抵消，因而使a 端口和b 端1 3 隔离 3 6 。 第4 章 4 2毫米波段的一分二功分器研究 4 2 1设计原理 功分器最经典的结构是威尔金森结构，它的关键是在功分器的两条输出传输线之间加入 了隔离电阻。可是由于两个原因威尔金森结构不适用于毫米波段及以上波段。首先目前找不 到适用与毫米波段的集总参数电阻作为隔离电阻再者在毫米波段四分之一波长非常短 ( 3 5 g h z 时只有1 毫米) ，若采用威尔金森结构，由于1 4 波长线太短不适宜弯曲所以本 章的主要目的是找出一种适用于毫米波段并且在输出口之间较高隔离的功分器。 32 图4 3 功分网络示意图 如上图所示，功分器由一条输入传输线，两条输出传输线，一条连接在两条输出传输线 之间的隔离传输线组成，两条输出传输线的长度相等。输入信号由1 端口进入共分器以后在 两条输出传输线的交汇处分成两路，分别传输到两个输出端口。由于两条输出传输线之间存 在耦合，所以有一部分能量通过两输出传输线之间的隔离微带线从一条输出传输线到达另一 条输出传输线。如果这部分能量可以被抵消，那么就相当于增加了两条输出传输线之间的隔 离。所以，如果在a 点叠加的两路信号所走过的路程相差二分之一波长的奇数倍，那么这 两路信号就能相互抵消。 即 x + z y - - ( 2 n 1 ra 2 ( 4 11 ) 4 2 2 由威尔金森结构改良一分二功分器仿真结果 4 2 2 1 图4 - 4 是本章提出的1 分2 功分器的尺寸示意图 东南大学硕士学位论文 图4 - 41 分2 功分器的尺寸示意图 如图4 4 所示。功分器采用的基板材料是r o g u s 5 8 8 0 ，介电常数为2 2 ，厚度是0 2 5 4 m m 微带线的材料是铜。功分器的大小是2 8 m m 2 3 2 m e 。三个端口的阻抗是5 0 欧姆，在3 5 g h z 的工作频率下宽度是0 8 m m 。微带线在一分二的交叉处分为二路7 5 欧姆的微带线，然后 过渡回5 0 欧姆的微带线。功分器所有转角处角度为4 5 度。 图中的细节尺寸如下：i - - 6 6 1 m m ，l = 9 4 m m ，a = 6 7 5 m m ，b = 1 6 m ，c = l o 1 7 1 ，d = 1 9 日。 e = 1 7 m e 。 连接两个输出端口的隔离微带线阻抗是1 0 0 欧姆。其宽度为0 2 2 m m 图4 - 5 为c s t 建模的示意图，图4 - 6 、4 - 7 、4 - 8 、4 - 9 是仿真结果。从图中可以看出输 入输出端口间隔离良好可用带宽在一l o d b 以下达到1 4 5 g l z 。 图4 - 5c s t 建模示意图 第4 章 m m 日叫n m f | 、l 。l r 厂 u v l r 朗城r q ，6 t 图4 6回波损耗s 1 1 仿真示意图 s m 口 t n m l 7 “、 、 1 1 r d u m t 图4 7回波损耗5 2 2 、$ 3 3 仿真示意图( 两条线重合) s 钿a r r t 喧砷t n 击 、厂弋 i y 和7 铂嚣5 盯 r e 4 t r q ，( 图4 - 8 隔离$ 2 3 、$ 3 2 仿真示意图( 两条线重合) 3 东南大学硕士学位论文 $ - p a r a m e 日m | 口h m f 1 f：弋 、 f f 0 习 再 q o5 06 0 m 1 7 口5 5帕9 雏 a ，t m y o - k 图4 - 9s 1 2 ，$ 2 1 、s 1 3 、$ 3 1 仿真示意图( 四条线重合) 由c s t 仿真结果来看这个结构的功率分配器在中心频率为3 5 g l t z 附近有近7 5 0 1 肛i z 的带 宽两个输出端口之间的隔离也达到一1 5 d b 。 从图中也看到s 1 2 ( s 2 1 、s 1 3 、$ 3 1 ) 在1 7 0 6 g h z 和4 9 6 g h z 处有两个零点，现分析产 生这两个零点的原因。 s 1 2 之所以出现两个零点可以理解为波从输入端口进入网络以后分成两路进入两条输 出传输线。由于输出传输线之间存在耦合，所以一条输出传输线上的能量会通过隔离微带线 到达另一条输出传输线上。当两路信号所走过的路程相差二分之一波长的整数倍时他们就 会相互抵消。形成传输零点。具体计算如下： x + z y = z = 6 6 m e“1 1 ) j 1 7 0 6 g l t z 时a = 1 2 1 m m ， 石一y + z 鲁 ( 4 1 2 ) 二 j 4 9 6 g l t z 时a = 4 1 2 r a m 工一y + ：3 x = ( 4 ，1 3 ) 4 2 2 2 若将两条输出输出传输线之间的距离加大，将会得到另一个类似的结果。 图4 1 0c s t 建模示意图 第4 章 图中的细节尺寸与上一模型相比只有一个地方放生改变：e 由1 7 m 变成4 7 m m 。 w m u e n m p k ， 八 f 八| v j v v 1 图4 1 1回波损耗s l l 仿真示意图 ”m m 口t n m 、一、， ， ， “ r d ，q ，( t 图4 - 1 2回波损耗$ 2 2 、$ 3 3 仿真示意图( 两条线重合) h h m n j ，。、八r 、， 一 ， l ， 拍6 9 73 5 憎 4 | 喝v o - k 图4 - 1 3 隔离$ 2 3 、s 3 2 仿真示意图( 两条线重合) 东南大学硕士学位论文 $ - p w m n e 茸m 可自 n 击 、 ， ， 力c - 。1：厂、 1 1 2 5 9 日94 2 两 r - c e 中e n w ，i a h 图4 - 1 4s 1 2 、$ 2 1 、s 1 3 、$ 3 1 仿真示意图( 四条线重合) 由c s t 仿真结果来看这个结构的功率分配器在中心频率为3 5 g h z 附近有近5 0 0 姗 z 的带 宽，两输出端口之间的隔离也达到一1 5 d b ， 从图中也看到能量的传输比上一种结构的功分器多出两个零点，他们分别是：8 7 5 g h z 2 6 g h z ，4 2 哪! z ，5 9 3 g h z 根据上一小节采用的分析方法，我们可以得到相似的结论 x - y + z = 1 3 7 m m( 4 1 4 ) 8 7 g h z 时a = 2 3 3 r a m 2 6 g h z 时z = 7 7 7 m m 4 2 8 g h z 时兄= 4 7 3 r a m 5 9 3 g l i z 时a = 3 4 1 r a m 。 ( 4 1 5 ) ( 4 1 7 ) ( 4 1 8 ) ( 4 1 9 ) 由以上分析可见，出现零点的频率基本符合半波长整数倍这个准则。而且两个输出端 口之间的距离越大零点就越多，将会影响功分器的性能。所以在毫米波段，两个输出端口之 间的距离，或者说，x - y + z 的值要尽量小，以减少零点提高性能。 4 2 2 3 为证明以上假设的正确性，我们采用4 2 2 1 中的短臂结构，只是增加两条输出传输线 之问的隔离微带线和输入端口之间的距离d 。 2 2 z一2兄一2 五一2 舨 叙 敬 z z z z + + + + y y y y 一 一 一 一 工 工 石 x 第4 章 图4 - 1 5c s t 建模示意图 图4 1 1 是建模示意图。它的具体尺寸和4 2 2 1 基本一致，只不过d 由1 9 r a m 变成 7 7 m ，l 由9 4 m 变成1 0 6 m e 。这样是为了使x y + z 的值保持不变 回波损耗示意图如下图所示。 s t | t m n 歹 仝 、念l | | ， v f _ u _ 科，1 日t 图4 - 1 6回波损耗$ 1 1 仿真示意图 s - p w a m e m h a g h l、一，一、 ，、 、 、 t 訾- 图4 一1 7 回波损耗5 2 2 、5 3 3 仿真示意图( 两条线重合) 东南大学硕士学位论文 “m - h 、 、r _ 、ll 乇7 r e _ 图4 - 1 8 隔离$ 2 3 、5 3 2 仿真示意图( 两条线重合) m _ m 日础n p 1厂i；、 4 、上一 曰 s 1 l f 1f s l ， 拉刁 l ，【b卵啊z r 簟u ，。斜，o 七 图4 1 9s 1 2 、s 2 1 、s 1 3 、$ 3 1 仿真示意图( 四条线重合) 由c s t 仿真结果来看这个结构的功率分配器在中心频率为3