基于薄膜电路工艺的W波段功分器设计

杨志群, 葛楠, 尹震峰, 石磊

（1.92941部队92分队,辽宁 葫芦岛 125000；2.上海无线电设备研究所,上海 200090）

基于薄膜电路工艺的W波段功分器设计

杨志群1, 葛楠2, 尹震峰2, 石磊2

（1.92941部队92分队,辽宁 葫芦岛 125000；2.上海无线电设备研究所,上海 200090）

针对传统威尔金森功分器在毫米波频段下两路输出支路幅相一致性差的问题,提出了一种基于薄膜电路工艺的新型威尔金森功分器设计。通过减少两路输出支路之间耦合和考虑隔离电阻的传输线效应,改善了其幅相一致性,拓宽了在毫米波和更高频下的应用。设计结果表明,该功分器在W波段具有插入损耗低、幅相一致性好、驻波小等优点,适合用于毫米波电路小型化设计和功率合成。

电路工艺；新型威尔金森功分器；毫米波

0 引言

在当前复杂的微波收发系统中,通常需要将微波信号分成几路,分别用于各个通道,对于功分信号的幅相一致性、隔离度等有越来越高的要求。在毫米波以及更高频段下,传统威尔金森功分器存在两路输出端之间耦合严重,并且隔离电阻尺寸在毫米波高频下无法忽略,使传统威尔金森功分器的电路性能和应用受到局限。常规微带功分器设计中,对输出支路之间的耦合效应和隔离电阻的传输线效应没有统一考虑,从而导致了在更高频段下的幅相一致性差的问题。

针对上述问题,本文提出了一种基于薄膜电路的新型威尔金森功分器,该设计通过减少两路输出支路之间耦合和考虑隔离电阻的传输线效应[1],较好地解决了传统威尔金森功分器在毫米波频段下幅相一致性差的问题。

1 原理分析

传统威尔金森功分器的设计忽略了隔离电阻在毫米波频段下的传输线效应,并且两路输出端在毫米波频段下间距小,导致严重耦合,电路原理模型如图1（a）所示。新型的威尔金森功分器模型考虑了隔离电阻在毫米波下的传输线效应,并在两路输出端和理想电阻之间增加了一段额外的传输线,该段传输线能够增加两臂之间的距离,从而减少两臂之间的耦合,降低隔离电阻分布参数的影响,电路原理模型如图1（b）所示[2]。

图1 传统与新型威尔金森功分器对比图

威尔金森功分器的特性分析基于电路的对称性,进行偶模和奇模分析,如图2所示。ZINA、ZINB分为从端口2向左、向下看的等效阻抗；对称位置的阻值为R隔离电阻分解为两个阻值为R/2的电阻串联,电路中的所有阻抗均归一化,其中将两臂的阻抗和电长度设为Z01和θ1,支路的电长度和特性阻抗为Z02和θ2,隔离电阻归一化阻值为r。

图2 阻抗归一化后的对称电路图

1.1 偶模分析

在偶模激励下,对称位置激励的信号具有相同的幅度和相位,从而对称位置等效于开路,因此其隔离电阻可以忽略不计,该电路可以等效为简单的双端口匹配网络。从端口2看入可以得出：

由并联阻抗与端口2的阻抗匹配得

式（3）利用分离变量法可分解为实部和虚部两个等式,其中实部简化后得

式（3）虚部的等式简化后得

由于是无源匹配网络,所以电路是互易的,因此从端口1分析也能获得相同的结果。

1.2 奇模分析

在奇模激励下,对称位置激励的信号具有相同的幅度,但是相位相反,从而对称位置等效于接地短路。对于这种激励模式,端口2是匹配的,全部功率都传送到r/2电阻上,而没有进入端口1。采用和偶模分析相同方法可得

上述公式是一个复数等式,利用分离变量法得到其实部可以简化为

其虚部可以简化为

通过式（7）和式（8）可得

将式（5）和式（9）代入式（4）,简化后可得

因此式（4）可以简化为

上式意味着θ1和θ2正交。现在能够获得用五个未知数和四个归一化公式来描述该电路：

在上述系统变量中,为了电路的可实现性,θ2必须是实数,同时r必须是正数。从四个公式的约束关系可以得出r∈（0,2],因此Z01,Z02∈（0,],θ2∈[nπ,nπ+（π/4）],其中n为整数。如果θ2等于0,则为传统威尔金森功分器。

通过以上理论分析,从式（12）到式（15）,可以进行新型功分器的阻抗、电长度和相位等的计算[3]。

2 仿真设计

本功分器设计选用厚度为0.254 mm、介电常数为9.6的99.6%Al2O3作为基片材料,相比其他材料,其损耗低、强度高、热导率高。根据前文理论分析,在W波段下设计了的一种改进型功分器,其模型如图3所示。

图3 W波段功分器设计模型

图中端口1为输入端口,端口2和端口3为输出端口,在隔离电阻与双臂之间增加了一段二分之一波长的微带线,即不影响隔离电阻,又可以使两路输出支路在一条直线上,从而减小了两路输出端之间的耦合度,提高两路输出信号的幅相一致性。采用HFSS对其进行三维电磁仿真,仿真结果如图4所示。

图4 W波段功分器S参数仿真结果图

由图4仿真结果可知,在75 GHz～78 GHz范围内,两路功率不平衡度小于0.15 dB,插入损耗小于3.7 dB,在中心频率处相位相差0.5°,输入反射系数大于20 dB,端口隔离度大于10 dB。

3 实验验证

基于上述仿真设计结果,对该功分器进行了实物加工和测试,其实物照片如图5所示,整个电路外形尺寸为2.5 mm×3 mm,将功分器装入腔体,通过微带-波导转换器与网络分析仪端口相连,其插入损耗与隔离度测试结果如表1所示。

图5 W波段功分器加工实物图

从测试结果看,在3 GHz带宽内,该设计具有插入损耗小,端口隔离度高等特点。该设计已成功应用于W波段毫米波收发组件,并且该组件各项测试指标满足要求并已验收,证明了这种新型结构的正确性和合理性[4]。

4 结论

由功分器的实物测试结果显示,电路设计中通过减少输出支路之间的耦合效应,并充分考虑隔离电阻的传输线效应,有效改善了功分器的幅相一致性,但是由于在输出支路和隔离电阻之间引入了二分之一波长的传输线,导致了工作带宽较窄,有待后续继续研究改进。

表1 插入损耗与隔离度测试值

[1] Dimitrios Antsos,Rick Crist,LinSukamto.A Novel Wilkinson Power Divider Eith Predictable Performance at K and Ka-band[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,1994.

[2] XU Hong-jie,ZH ANG Yong-hong,FAN Yong. Ka-band Wilkinson Power Divider Based on Chip Resistor[C].2007 International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology.Builin：[s.n.],2007：1-4.

[3] B.Boukari,D.Hammou,E.Moldovan.NHMICs on Ceramic Substrate for Advanced Millimeter Wave Systems[J].IMS,2009.

[4] Stephen Horst,Ramanan Bairavasubramanian, Manos M.Tentzeris.Modified Wilkinson Power Dividers for Millimeter-Wave Integrated Circuits[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2007,55（11）.

Design of a Millimeter-wave Power Divider Based on Thin-film Circuit Process

YANG Zhi-qun1, GE Nan2, YIN Zhen-feng2, SHI Lei2
（1.Unit 92 of Army 92941,Huludao Liaoning 125000；2.Shanghai Radio Equipment Research Instrument,Shanghai 200090,China）

The traditional millimeter-wave Wilkinson Power divider has a bad performance on the coherence of phase and amplitude,in order to overcome the problem,this paper presents a new millimeter-wave Wilkinson power divider with thin-film technique.By reducing the coupling of two output channel and considering the trasmission line effection of the isolate resistance,we can improve the phase and amplitude coherence of the power divider, therewith extensive itˋs application in millimeter-wave and even high frequecy.The design result shows that this divider has the features of low insertion loss,good coherence of phase and amplitude,low VSWR and so on,which makes it fit for the miniaturization of millimeter-wave circuit and power combine.

circuit process；divider；millimeter wave

TN626

A

1671-0576（2014）02-0052-05

2014-01-15

杨志群（1964-）,男,高级工程师,主要从事导弹引信试验技术研究。