阶梯阻抗变换宽带功分器设计

本文介绍了λ/4阶梯阻抗变换实现宽带功分器方法。设计了6-18GHz一分二带状线功分器，2-18GHz一分二带状线功分器，6-18GHz一分四带状线功分器，仿真结果和测试结果有很好的一致性，表明设计是成功的。该产品性能完全达到了国外Elisra公司先进水平。

1  引言

功率分配器是将输入功率分成相等或不相等的几路功率输出的一种多端口微波网络，它在系统中起着信号分配或合成的作用，广泛应用于天线的馈电系统中。

2  理论分析

拓宽功分器带宽常用的方法是多节阶梯阻抗变换，也可用渐变线阻抗变换。在多节阶梯阻抗变换器中，各阻抗阶梯所产生的反射波彼此抵消，于是匹配的频带得以展宽。多节阶梯阻抗变换器中最常用的是每节长为四分之一波长的变换器。

N节2路宽频带功分器的结构如图1所示。

图1  N节2路宽频带功分器结构图

3  电路设计

本文设计了三种宽带带状线功分器，功分器的主要指标如表1所示。

表1  功分器的指标要求

在我们要求的三种不同的功分器中，频带为6-18GHz的功分器倍频程为3，频带为2-18GHz的功分器的倍频程为9。以下为6-18GHz一分二带状线功分器设计的过程：

（1）查表得到功分器各节归一化阻抗值和隔离电阻值为： Z1=1.1497，Z2 =1.4142，Z3=1.7396；R1=8.0000，R2=4.2282，R3=2.1436。

（2）电路中采用Rogers RT/Duriod 5880作为带状线的介质板，介电常数为2.2。先用Agilent ADS中的LineCalc工具计算各段金属带线初始尺寸，得到各段带线宽度为：W0=1.25mm，W1=1mm，W2=0.68mm，W3=0.44mm；1/4波长阻抗线长度为4.2mm，以此作为初值。

（3）采用三维电磁仿真软件Ansoft HFSS对功分器进行仿真，如图2所示，并对参数进行了优化设计。功分器的插入损耗、端口驻波比和隔离度仿真结果见图3、图4和图5。

图2  带状线功分器仿真模型

图3  6-18GHz一分二功分器插入损耗

图4  6-18GHz一分二功分器端口驻波比

图5  6-18GHz一分二功分器隔离度

4  测试结果

按照上面的理论分析结合仿真结果，试制了6-18GHz一分二功分器、2-18GHz一分二功分器、6-18GHz一分四功分器等三种宽带带状线功分器，使用Agilent公司的矢量网络分析仪测试，其测试结果见图6、图7和图8。

图6  6-18GHz一分二功分器测试结果

图7  2-18GHz一分二功分器测试结果

可以看出，仿真结果和测试结果变化趋势相同但在某些频带内稍有偏差，造成误差的主要原因可能有加工误差、装配和接地不良等因素。但功分器的整体性能良好，在要求的频带范围内插入损耗、端口驻波比和隔离度等指标都满足要求。

图8  6-18GHz一分四功分器测试结果

5  结论

本文给出了多级阻抗级联的宽带带状线功分器准确设计方法，并在三维电磁仿真软件HFSS下进行仿真和优化，最后对试制的三种功分器进行了测试，测试结果仿真结果有很好的一致性。该产品性能达到国外同类产品先进水平。利用三维电磁仿真软件可以大大缩短研发周期，节约成本，有着很好的实用价值。

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