基于人工传输线的小型微带犠犻犾犽犻狀狊狅狀功分器

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1、第２２卷第１期强激光与粒子束Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．１２０１０年１月ＨＩＧＨＰＯＷＥＲＬＡＳＥＲＡＮＤＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭＳＪａｎ．，２０１０文章编号：１００１４３２２（２０１０）０１０１２３０４基于人工传输线的小型微带犠犻犾犽犻狀狊狅狀功分器黄文，刘长军（四川大学电子信息学院，成都６１００６４）摘要：提出了一种基于人工传输线的小型微带Ｗｉｌｋｉｎｓｏｎ功分器，该器件使用由ＬＣ元件构成的人工传输线取代传统传输线，并使用交指电容和贴片电阻进行端口隔离。设计制作的Ｗｉｌｋｉｎｓｏｎ功分器中心频率为９１５ＭＨｚ的微带３ｄＢ功分器，等幅同相地将输入功率分配到２个输出端口，尺寸仅有

2、传统Ｗｉｌｋｉｎｓｏｎ功分器的２５％，端口幅度平衡度±０．２ｄＢ，相位平衡度±１°。实验结果表明：功分器带宽为０．４９～１．２０ＧＨｚ，插入损耗小于３．２ｄＢ，回波损耗大于１０ｄＢ，仿真结果和测量结果吻合较好。关键词：人工传输线；Ｗｉｌｋｉｎｓｏｎ功分器；交指电容；小型化中图分类号：ＴＮ６２文献标志码：Ａｄｏｉ：１０．３７８８／ＨＰＬＰＢ２０１０２２０１．０１２３微波功分器是无源微波器件，用于功率分配或功率合成。在微波系统中，需要将输入功率按一定的比例分配到各输出端口，如微波信号分离、阵列天线馈电等，在微波系统中有着广泛的应用。它的性能直接影响到整［１］个系统功率分配和合成效率。自

3、从１９６０年Ｗｉｌｋｉｎｓｏｎ首次提出犖路耦合的功率分配器后，功分器得到了广泛的研究，并越来越为人们所重视，成为高频电路中使用最为广泛的微波器件之一，在微波功率传感器、混频、［２４］相位检测等电路中均有应用。宽频带、小型化、低功耗一直是微波射频电路研究的热点。近年来，Ｃ．Ｗ．Ｗａｎｇ等人提出使用人工传输线的理论设计新型微波器件，与传统微波器件相比，新型微波器件的性能得到了［５９］很好的改善。本文首先对人工传输线结构的等效电路的相关参数进行分析。然后依照Ｗｉｌｋｉｎｓｏｎ功分器理论，用贴片电阻和微带线设计出基于人工传输线的３ｄＢＷｉｌｋｉｎｓｏｎ功分器。这种新型功分器结构可以有效

4、缩减器件的尺寸，性能良好，易于实现，有广阔的应用前景。１器件设计及理论设计［１０］人工传输线由交指电容、折线电感、平板电容的微带结构组成。通过改变交指电容的交指数目，平板电容的尺寸等，可以调节等效电路的电容和电感值，得到特定特征阻抗和特定电长度的传输线，如图１所示。用人工传输线替代传统的传输线，可以大幅度地缩减传输线的物理长度，特别是低频频段的传输线，可以实现器件的小型化。Ｆｉｇ．１Ａｓｅｃｔｉｏｎｏｆａｒｔｉｆｉｃｉａｌｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｉｎｅａｎｄｉｔｓｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｃｉｒｃｕｉｔ图１微带结构的人工传输线和等效电路图１（ｂ）中，电感犔１，犔２，犔３为微带折线电感，

5、电感犔１和犔３的对地寄生电容可以等效为电容犆ｌ１，犆ｌ２和犆ｌ３，犆ｌ４。串联电容犆１和犆２为交指电容。犆ｐ１，犆ｐ２，犆ｐ３，犆ｐ４为折线电感犔２和交指电容犆１，犆２的对地寄生电容。犆ｓ１，犆ｓ２，犆ｓ３，犆ｓ４为微带平板对地电容，并联于寄生电容犆ｐ１，犆ｐ２，犆ｐ３，犆ｐ４。在人工传输线两端，分别插入特征阻收稿日期：２００９０３２４；修订日期：２００９０８２１作者简介：黄文（１９８４—），女，重庆万州人，硕士研究生，从事电磁场与微波技术研究；ｈｕａｎｇ＿ｊｉｎｄａｏ＠１６３．ｃｏｍ。１２４强激光与粒子束第２２卷抗为犣的小段微带线，其电长度为θ，以补偿人工传输线和设计要

6、求的特定电长度之间的相位差。每段人工ｇ传输线单元的特征阻抗犣和传播常数为ｇβｇ犣ｇ＝槡犔ｔｏｔａｌ／犆ｔｏｔａｌ（１）（２）βｇ＝ω槡犔ｔｏｔａｌ犆ｔｏｔａｌ式中：犔；犆。ｔｏｔａｌ＝犔１＋犔２＋犔３ｔｏｔａｌ＝犆ｌ１＋犆ｌ２＋犆ｌ３＋犆ｌ４＋犆ｐ１＋犆ｐ２＋犆ｐ３＋犆ｐ４＋犆ｓ１＋犆ｓ２＋犆ｓ３＋犆ｓ４［１１１２］［１３］Ｗｉｌｋｉｎｓｏｎ功分器通过引入隔离电阻，实现阻抗匹配和提高隔离度。功分器引人隔离电阻后，变为有耗的三端口网络。从三端口网络的基本性质可知，有耗三端口网络可以做到完全匹配且输出端口之间具有隔离，从而改善普通功分器的不足。输出端口之间的隔离电阻犚，用奇偶模分析得

7、到犚＝２犣，其中，犣为５０Ω００特征阻抗。理想Ｗｉｌｋｉｎｓｏｎ功分器的犛参数为犛１１＝犛２２＝犛３３＝０（３）狘犛２１狘＝狘犛３１狘＝１／槡２（４）式中：犛，犛和犛分别为三个端口的电压反射系数；犛，犛分别为输入到输出端口的电压传输系数。设计人１１２２３３２１３１工传输线的特征阻抗为犣，电长度为π／２，相移为９０°，作为功分器的分支臂，替代常规的微带线构建ｇ＝７０．７Ω新型的Ｗｉｌｋｉｎｓｏｎ功分器。本文选择相对介电常数为ε的聚四氟乙烯玻璃纤维作为基板材料。基板厚ｒ＝