2010年11月第6卷第4期系统仿真技术SystemSimulationTechnologyNov.,2010Vo.l6,No.4中图分类号:TN821󰀁󰀁󰀁文献标识码:A一种宽带功分器设计与分析苏󰀁畅,李迎松,刘乘源,杨晓冬,姜󰀁弢(哈尔滨工程大学信息与通信工程学院,黑龙江哈尔滨󰀁150001)摘󰀁要:为了解决全球卫星定位系统中圆极化天线的馈电问题,基于威尔金森功分器理论和宽带移相器理论,介绍了1种用于全球卫星定位系统的微带功分器。利用HFSS(高频结构仿真器)对关键的参数进行分析和评估,从仿真结果可以看出,所设计的功分器隔离度高,体积小,驻波比低,且具有移相功能,可以用在GPS(全球卫星定位系统),GALLEO(󰀂加利略 定位系统),GLONSS(俄罗斯的󰀂格鲁纳斯 定位系统)和我国自己的COMPASS全球卫星定位系统中作为宽带圆极化天线和天线阵列的馈电网络。关键词:功分器;移相器;全球卫星定位系统;北斗DesignandAnalysisofaWidebandPowerDividerSUChang,LIYingsong,LIUChengyuan,YANGXiaodong,JANGTao(CollegeofInformationandCommunicationEngineering,HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001,China)Abstract:Awidebandpowerdividerbasedonwilkinsonpowerdividerandwidebandshifterwaspresentedforcircularly󰀁polarizedantennafednetworkusedinGloblePositioningSystem.Thekeyparametersofthepowerdividerwasanalyzedandestimatedbyusingelectromagneticsolver,HFSS(HighFrequencyStructureSimulator).Fromtheresults,thepowerdividerhadhigherisolation,smallersize,lowerVSWR(VoltageStandingWaveRatio),andhadashifter.Therefore,theproposedpowerdividercanbeusedinGPS(GlobalPositionSystem),GALLEO,GLONSSandCOMPASSasafednetworkusedincircularly󰀁polarizedantennaandantennaarrayinGloblePositioningSystem.Keywords:powerdivider;shifter;globlepositioningsystem;COMPASS基金项目:科技部中小企业技术创新基金资助项目(08C26212301759);哈尔滨市科技创新人才专项基金资助项目(2009RFKXG010)1󰀁引󰀁言在微波电路中,为了将一路能量分成两路或者多路,需要使用功率分配器。特别是近些年来,随着微波和毫米波的迅速发展,小型化、低剖面、易于和微波电路集成等优点已经成为国内外学者和工程技术应用广泛关注的热点之一。而微带电路由于体积小、重量轻、便于和微波电路集成等优点,已经广泛地应用在星载、弹载和卫星导航系统中,如全球卫星定位系统GPS,GALLEO,GLONSS和我国自己的COMPASS全球卫星定位系统[1-6]。随着深空通信的迅速发展,对小型圆极化天线和多模通信天线的需求在不断增加。为了解决圆极化天线的设计问题和单一系统覆盖空白及定位精度低的问题,需要开发1种系󰀁统󰀁仿󰀁真󰀁技󰀁术第6卷第4期多模通信终端的全球定位系统,因此开发具有多模通信终端的全球导航系统的圆极化微带天线和相应的馈电网络已经成为研究的热点和重点。文献[1]设计了基于L形探针的圆极化微带天线,但是结构比较复杂,且生产加工精度差。文献[2]提出了1种T形馈电的圆极化天线,实现了馈电网络和天线单元的集成,但是其带宽窄,限制了圆极化天线的带宽和天线的阻抗带宽。随后国内外的学者提出了一系列的圆极化微带天线[3-5],但是结构复杂,馈电多采用简单的3dB耦合器结构,因而带宽相对较窄,且隔离度较差,没有得到广泛的应用。本文基于文献[6]设计了一款宽带功分器,其主要特点是采用Wilkinson功分器理论,开路、短路理论和宽带移相器原理设计带有移相器功能的宽带功分器。通过对功分器的回波损耗、驻波比、阻抗特性、隔离度和移相特性的仿真分析,最后得到可用于GPS和L波段通信的宽带功分器。2󰀁基本原理2.1󰀁Wilkinson功分器原理功分器是1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,也可反过来将多路信号能量合成一路输出,此时也可称为合路器,一个功分器的输出端口之间应保证一定的隔离度[6-8]。常见的Wilkinson功分器的基本结构如图1所示。!端口为信号输入端口,∀、#端口为信号输出端口。图中:R0=2Z0,Z1=Z02,Z0为50󰀁,Z1段的长度为󰀂/4。R0作为隔离电阻,采用高频纯电阻,尺寸尽量小,以避免产生分布参数,从端口!输入的信号到达隔离电阻的两端,被分成幅度相等、相位相等的两路信号∀和#,且在隔离电阻上实现无差模传输,不消耗功率,在不考虑传输线损耗的情况下,其毎路输出功率降低3dB,从而实现功率的分配。R0的引入同时也增加了两路输出之间的信号隔离度,在仿真的时候才用RLC边界来模拟R0。图1󰀁Wilkinson功分器的基本结构图Fig.1󰀁StructureoftheWilkinsonpowerdivider2.2󰀁宽带移相器理论本文采用的移相器采用开关网络结构,每个网络都有两个路径A和B,其中D1∃D4为开关二极管。所采用的基本结构为图2a和图2b。对于图2a所示的结构[9],有S11=S12=0(1)S33=S44=121-jW11+jW1+1+jW21-jW2(2) !T(f)=-∀1(f)+#-󰀁󰀁arctan1+W1(f)W2(f)W1(f)-W2(f)(3)Wj=Y∃mtan∀m2(-1)j+1+(-1)j2Y∃scot2∀s,󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁j=1,2(4)式中:∀m=#f∃;f∃为输入频率;∀s=(#/4)f∃;Y∃m,Y∃s为特性导纳;f为设计频率。对于图2b所示结构[9],有S11=S22=12(cos∀a-jsin∀a)%1-jT111+jT11+1+jT121-jT12(5)S33=S44=121-jT211+jT21+1+jT221-jT22(6) !T(f)=-∀a(f)-&2j=1(-1)j+1%arctanTj1(f)-Tj2(f)1+Tj1(f)Tj2(f)(7)264苏󰀁畅,等:一种宽带功分器设计与分析其中:Tij=Y∃mitan∀mi2(-1)j+1+(-1)j2Y∃sicot∀si,i,j=1,2;∀mi=#f∃;∀si=(#/4)f∃;Y∃mi;Y∃si为特性导纳;W1,Ti1为中心频率的极点;W2,Ti2为中心频率的零点。图2󰀁开关网络移相器的基本结构Fig.2󰀁Structuresofswitched󰀁networkphaseshifter󰀁󰀁图2a适合移相相位超过90∋的场合,路径A是可变的传输线,其特性阻抗为Z0,电长度为∀1。路径B由固定长度为󰀂/2的主传输线、长度为󰀂/8的开路调谐端和短路调谐端组成,并且相位可以通过Zm和Zs控制。图2b适合于移相相位小于90∋的场合,路径B与路径A相比有1个可以调节的电长度为∀a的传输线,可以通过调节获得所需要的相位,并且路径B的相位色散较路径A的要大,通过调节短路线与开路线的长度和宽度,减小误差。3󰀁宽带功分器的结构本文根据Wilkinson功分器和宽带功分器理论设计了应用在全球卫星定位系统和L波段的宽带功分器,其结构如图3所示。从图3可以看出,该功分器由Wilkinson功分器、传输线、宽带的移相器和隔离电阻组成一分四的宽带功分器。根据各项指标(工作频段、输入输出端口的驻波、输出端口间的隔离度)要求,用三维电磁场仿真软件HFSS对功分器进行建模,在模型建立时采用LumupedRLC边界条件模拟100󰀁隔离电阻,以使仿真结果和工程实际一致。图3󰀁宽带功分器的结构Fig.3󰀁Geometryoftheproposedpowerdivider4󰀁仿真结果分析本文所设计的功分器附着印刷在厚度为1.6mm、介电常数为2.94的介质基板上,带线的宽度采用AWR公司的Microwaveoffice中的TXline计算得到。图4所示为各个端口的回波损耗,从图上可以看出,所设计的功分器在1~1.8GHz的阻抗带宽内,有很好的阻抗匹配特性。图5所示为该功分器的传输特性,从图上可以看出,在阻抗带宽内所设计的功分器有较小的传输损耗,根据功分器的理论可知,仿真的传输损耗和理论的损耗基本一致。图6为功分器的隔离度,从图上可以看出,每个端口都有较好的隔离特性,但是还不能很好地满足实际工程需求,在工程上可以通过改变各个端口的位置和隔离电阻,以及多级级联的方式提高端口间的隔离特性。图7为仿真的265系󰀁统󰀁仿󰀁真󰀁技󰀁术第6卷第4期群延时特性,从图上可以看出,所设计的宽带功分器在阻抗带宽内基本上是常数延迟关系,且延迟很小,可以满足宽带通信的需求。图8为所设计的功分器各个端口相位关系,可以看出,该功分器有一定的相位关系,且相位呈现较好的线性关系,可以很好地应用在全球卫星定位系统的圆极化天线和多模通信中。图9为各个多口相对于端口2的相位特性,从图上可以看出,各个端口之间相差约90∋,可以作为圆极化天线阵列的馈电网络,但有一些误差,这些误差可以通过改变󰀂/8开路线和短路线来改变相位的偏差。图4󰀁回波损耗特性Fig.4󰀁Returnlossoftheproposedpowerdivider图5󰀁传输特性Fig.5󰀁Transmissionoftheproposedpowerd

ivider图6󰀁隔离度Fig.6󰀁Isolationoftheproposedpowerdivider图7󰀁群延时Fig.7󰀁Groupdelayoftheproposedpowerdivider图8󰀁相位特性Fig.8󰀁Phaseoftheproposedpowerdivider266苏󰀁畅,等:一种宽带功分器设计与分析图9󰀁各端口相对2端口的相位特性Fig.9󰀁Phasecomparedtoport2oftheproposedpowerdivider5󰀁结󰀁论本文利用Wilkinson功分器理论和开关网络移相器结构设计了一款宽带功分器。通过仿真分析可以看出,该功分器有很好的阻抗特性、较高的隔离度和低的传输损耗,同时该功分器有较好的相位特性。可以作为全球卫星定位系统的圆极化天线的馈电网络和多模通信的功率分配和合成单元使用,还可以集成到GPS,GALLEO,GLONSS和我国的北斗通信终端中。参考文献:[1]󰀁LoWK,ChanCH,LukKM.BandwidthenhancementofcircularlypolarizedmicrostrippatchantennausingmultipleL󰀁shapedprobefeeds[J].MicrowaveOptTechnolLett,2004,42(4):263󰀁265.[2]󰀁RaoPH,FuscoVF,CahillR.Wide󰀁bandlinearandcircularlypolarizedpatchantennausingaprintedsteppedT󰀁feed[J].IEEETransAntennasPropagat,2002,50(3):356󰀁361.[3]󰀁WANGZB,FANGSJ,FUSQ,eta.lDual󰀁bandprobe󰀁fedstackedpatchantennaforGNSSapplications[J].IEEEAntennasandWirelessPropagationLetters,2009,8:100󰀁103.[4]󰀁FerreroF,LuxeyC,JacquemodG,eta.lDual󰀁bandcircularlypolarizedmicrostripantennaforsatelliteapplications[J].IEEEAntennasWirelessPropagLett,2005,4:13󰀁15.[5]󰀁BocciaL,AmendolaG,MassaGD.Adualfrequencymicrostrippatchantennaforhigh󰀁precisionGPSapplications[J].IEEEAntennasWirelessPropagLett,2004,3:157󰀁160.[6]󰀁AndreiGrebennikov,PowerCombiners.Impedancetransformersanddirectionalcouplers:Part(,highfrequencyelectronics[J/OL].2008-07-01,http://www.highfrequencyelectronics.com/Archives/Archives2008.shtml[7]󰀁赵兰,廖斌.宽带Wilkinson功分器的研制[J].材料导报,2007(S2):195󰀁197.ZHAOLan,LIAOBin.Designingofbroadbandwilkinsonpowerdivider[J].MaterialsReview,2007(S2):195󰀁197.[8]󰀁刘涓,吕善伟.一种实现宽频带功分器的新方法[J].电子学报,2004,32(9):1527󰀁1529.LIUJuan,LvShanwe.Anewmethodtodesignthewidebandsplitter[J].ActaElectronicaSinica,2004,32(9):1527󰀁1529.[9]󰀁EomSY,ParkHK.Newswitched󰀁networkphaseshifterwithbroadbandcharacteristics[J].MicrowaveOptTechnolLett,2003,38(4):255󰀁257.苏󰀁畅󰀁女(1986-),黑龙江齐齐哈尔人,博士生,主要研究方向为现代天线,微波电路。李迎松󰀁男(1982-),河南洛阳人,博士,主要研究方向为微带天线和天线阵列及微波电路。267