CN102412435B - 一种用于超宽带雷达馈电网络中的超宽带功分器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于超宽带雷达馈电网络中的超宽带功分器，包括一块介质板、位于正面的三条微带线和一个扇形微带线枝节、位于背面的一条槽线和两个扇形槽线枝节，一条微带线作为输入微带线，一端用于输入一路输入信号，另一端与扇形微带线枝节相连；另外两条微带线分别作为输出微带线用于输出四路输出信号；三条微带线相互平行，输入微带线位于两条输出微带线的中间；槽线位于输入微带线与扇形微带线枝节连接处的正下方，并且与输入微带线垂直，槽线的两端各连接一个扇形槽线枝节。本发明的功分器采用了三条微带线和一个扇形微带线枝节，以及一条槽线和两个扇形槽线枝节，结构简单；并且利用扇形枝节，拓宽了功分器的工作频带，使其工作频带变为超宽带。
Description
技术领域
本发明属于无源微波器件技术领域，具体涉及一种超宽带功分器的设计。
背景技术
功率分配器，简称功分器，是一种将一路输入信号能量分成两路或多路输出相等或不相等能量的器件，为天线阵列的馈电网络中的基本元件。超宽带雷达就有距离分辨力极高、穿透性好、抗干扰性能强和截获率等优点，具有广阔的应用前景。而超宽带功分器，作为超宽带雷达系统的基本元件，很大程度影响了馈电网络的性能。目前的功分器，大多工作在窄带，无法直接用于超宽带雷达的馈电网络，大多类似于在文献“Li Yuejin Xing Mengjiang,Zhu Zhangming,Yang Yintang.Novel Compact Compass Navigation System(CNS)PowerDivider，201011th International Conference on Electronic Packaging Technology & HighDensity Packaging，710-713”提到的功分器；而已有的少数具有超宽带特性的功分器，结构普遍比较复杂，尺寸复杂，不适于天线阵列，比如文献“Kaijun Song,and Quan Xue,NovelUltra-Wideband(UWB)Multilayer Slotline Power Divider With Bandpass Response，IEEEMICROWAVE AND WIRELESS COMPONENTS LETTERS,2010,20(1),13-15”介绍的功分器。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的超宽带功分器结构复杂的缺点，提出了一种用于超宽带雷达馈电网络中的超宽带功分器。
本发明的技术方案是：一种用于超宽带雷达馈电网络中的超宽带功分器，其特征在于，包括一块介质板、位于介质板正面的三条微带线和一个扇形微带线枝节、位于介质板背面的一条槽线和两个扇形槽线枝节，其中，一条微带线作为输入微带线，其一端用于输入一路输入信号，另一端与所述的扇形微带线枝节相连；另外两条微带线分别作为输出微带线用于输出四路输出信号；三条微带线相互平行，输入微带线位于两条输出微带线的中间；槽线位于输入微带线与扇形微带线枝节连接处的正下方，并且与输入微带线垂直，槽线的两端各连接一个扇形槽线枝节，槽线的长度为2*d+3*Wm，其中，d为输出微带线与输入微带线之间的间距，Wm为微带线的线宽。
进一步的，所述的扇形微带线枝节的半径为Rm=λm/4，其中，λm为微带线中的导行波波长；夹角为αm，其值由特性阻抗公式确定，其中，k为自由空间的波数，kg为微带线中的波数，εdn和k0n分别是动态有效介电常数和TM0n模式的特征值，εd0表示n=0时的εdn，P0n为微带线中的准TEM模式和扇形微带线枝节中TM0n模式的耦合系数，P00表示n=0时的P0n。
进一步的，所述的扇形槽线枝节半径Rs=λs/6，夹角为αs=αm*(Rm/Rs-0.1)，其中，λs为槽线中导行波波长。
进一步的，所述槽线的特性阻抗等于所述微带线的特性阻抗的2倍。
进一步的，所述输入微带线的长度等于所述输出微带线的长度的一半。
本发明的有益效果：本发明的功分器采用了三条微带线和一个扇形微带线枝节，以及一条槽线和两个扇形槽线枝节，结构非常简单；利用每个微带线和槽线构成的T形结构，实现了1分2的功率分配；这里利用了一个扇形微带线枝节和两个扇形槽线枝节，拓宽了功分器的工作频带，使其工作频带变为超宽带，可达到3.1-10.6GHz。本发明的功分器性能参数良好，适用于超宽带阵列天线的馈电网络。
附图说明
图1是本发明的超宽带功分器结构示意图。
图2是本发明的超宽带功分器的等效电路图。
图3是本发明的超宽带功分器实物的正面图。
图4是本发明的超宽带功分器实物的背面图。
图5是本发明的超宽带功分器实测的插入损耗示意图。
图6是本发明的超宽带功分器实测的隔离度示意图。
图7是本发明的超宽带功分器实测的输出端相位差示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的阐述。
本发明的用于超宽带雷达馈电网络中的超宽带功分器结构示意图如图1所示，包括一块介质板、位于介质板正面的三条微带线和一个扇形微带线枝节、位于介质板背面的一条槽线和两个扇形槽线枝节，三个扇形枝节用于拓展带宽，其中，一条微带线作为输入微带线，其一端用于输入一路输入信号，另一端与所述的扇形微带线枝节相连；另外两条微带线分别作为输出微带线用于输出四路输出信号；三条微带线相互平行，输入微带线位于两条输出微带线的中间；槽线位于输入微带线与扇形微带线枝节连接处的正下方，并且与输入微带线垂直，槽线的两端各连接一个扇形槽线枝节，槽线的长度为2*d+3*Wm，其中，d为输出微带线与输入微带线之间的间距，Wm为微带线的线宽。根据设计所需的微带线特性阻抗Zm0及介质板的参数，可确定微带线的线宽Wm。
这里，介质板双面覆铜，铜层厚度为t，作为微带线和槽线的介质基板，相对介电常数为εr，损耗正切角为tanδ，厚度为h，可以根据设计需要进行具体选择。
这里，扇形微带线枝节的半径为Rm=λm/4，其中，λm为微带线中的导行波波长；夹角为αm，其值由特性阻抗公式
确定，其中，k为自由空间的波数，kg为微带线中的波数，εdn和k0n分别是动态有效介电常数和TM0n模式的特征值，εd0表示n=0时的εdn，P0n为微带线中的准TEM模式和扇形微带线枝节中TM0n模式的耦合系数，P00表示n=0时的P0n。
这里，扇形槽线枝节半径Rs=λs/6，夹角为αs=αm*(Rm/Rs-0.1)，其中，λs为槽线中导行波波长。
这里，槽线的特性阻抗等于所述微带线的特性阻抗的2倍，即为2*Zm0。
这里，输入微带线的长度等于所述输出微带线的长度的一半，即ML=subY/2。
本发明的功分器采用了三条微带线和一个扇形微带线枝节，以及一条槽线和两个扇形槽线枝节，具有四路输出，结构非常简单；利用每个微带线和槽线构成的T形结构，实现了1分2的功率分配；这里利用一个扇形微带线枝节增加微带线枝节内部的电流回路数量，使其工作频率范围增加，同时，扇形微带线枝节的特性阻抗比输入微带线的特性阻抗小，进一步拓宽了功分器的工作频带，扇形槽线枝节的作用与扇形微带线枝节的作用类似，它们使得功分器的工作频带变为超宽带，达到3.1-10.6GHz。
下面结合一个实施例进行阐述。
RO4003C介质板双面覆铜，其相对介电常数εr=3.38，损耗正切角tanδ=0.002，厚度h=0.8mm，长subX=90mm，宽subY=30mm，用作微带线和槽线的介质基板。具体实物图分别如图3、4所示。
刻蚀在介质板正面的三条微带线，线宽Wm=1.8mm，特性阻抗为50Ω。其中处于介质基板正中间的微带线，线长ML=15mm，一端连接输入端口Port1，另一端连接扇形微带线枝节，位于两侧的微带线，与中间的微带线间隔d=30mm，线长为subY，两端分别连接四个输出端口（Port2、Port3）和（Port4、Port5）。
刻蚀在介质板背面的一条槽线，宽度S=0.4mm，特性阻抗为112Ω，线长为2*d+3*Wm=65.4mm，两端分别连接一个扇形槽线枝节。
刻蚀在介质板正面的一个扇形微带线枝节，夹角αm=124deg，半径λm/4=8.3mm。
刻蚀在介质板背面的两个扇形槽线枝节，夹角αs=134deg，半径λs/6=7mm。
微带线到槽线形成的T形结构，其等效电路为图2中的第一级互耦，变压比为n1:1。其中，n1=0.9449。
槽线到微带线形成的两个T形结构，其等效电路为图2中的两个第二级互耦，变压比为1：n2。其中，n2=0.9449。
工作时，电磁波从Port1处进入功分器，沿着输入微带线向上传播，到达扇形微带线枝节处。由于输入微带线与槽线所形成的T形结构具有互耦作用，电磁波经过互耦，从微带线进入槽线，并等分到左右两个方向上，此时电磁波的相位发生改变，但改变量相同，相位差为零，电磁波将继续同相传播。对于沿着槽线向左传播的电磁波，它到达扇形槽线枝节处时，通过输出微带线与槽线所形成的T形结构耦合到左侧的输出微带线中。重新进入输出微带线的电磁波，同样等分，但此时相位发生改变。对于向上传播的电磁波，相位将减小90deg，最后从Port5输出。对于向下传播的电磁波，相位将增加90deg，最后从Port4输出。对于沿槽线向右传播的电磁波，有类似的结论。
从图5的实测数据可知，本发明的功分器，除超宽带的高频部分外，插入损耗均小于10dB。之所以高频部分插入损耗较大，这是由于测试时SMA接头引入了额外的损耗。
从图6的实测数据可知，本发明的功分器，同一条输出微带线的两个端口隔离度大于5dB，不同输出微带线的端口隔离度大于11dB。
从图7的实测数据可知，本发明的功分器，同一条输出微带线的两个端口相位差为180deg，整个超宽带频带范围内，相位差比较稳定。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种用于超宽带雷达馈电网络中的超宽带功分器，其特征在于，包括一块介质板、位于介质板正面的三条微带线和一个扇形微带线枝节、位于介质板背面的一条槽线和两个扇形槽线枝节，其中，一条微带线作为输入微带线，其一端用于输入一路输入信号，另一端与所述的扇形微带线枝节相连；另外两条微带线分别作为输出微带线用于输出四路输出信号；三条微带线相互平行，输入微带线位于两条输出微带线的中间；槽线位于输入微带线与扇形微带线枝节连接处的正下方，并且与输入微带线垂直，槽线的两端各连接一个扇形槽线枝节，槽线的长度为2*d+3*Wm，其中，d为输出微带线与输入微带线之间的间距，Wm为微带线的线宽；
所述的扇形微带线枝节的半径为Rm=λm/4，其中，λm为微带线中的导行波波长；夹角为αm，其值由特性阻抗公式
确定，其中，k为自由空间的波数，kg为微带线中的波数，εdn和k0n分别是动态有效介电常数和TM0n模式的特征值，εd0表示n=0时的εdn，P0n为微带线中的准TEM模式和扇形微带线枝节中TM0n模式的耦合系数，P00表示n=0时的P0n。
2.根据权利要求1所述的超宽带功分器，其特征在于，所述的扇形槽线枝节半径Rs=λs/6，夹角为αs=αm*(Rm/Rs-0.1)，其中，λs为槽线中导行波波长。
3.根据权利要求1或2所述的任一超宽带功分器，其特征在于，所述槽线的特性阻抗等于所述微带线的特性阻抗的2倍。
4.根据权利要求1或2所述的任一超宽带功分器，其特征在于，所述输入微带线的长度等于所述输出微带线的长度的一半。
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