一种超宽带小型化功分器、设计方法、多路通信网络终端
阅读说明：本技术 一种超宽带小型化功分器、设计方法、多路通信网络终端 (Ultra-wideband miniaturized power divider, design method and multi-channel communication network terminal ) 是由 于丁 傅云龙 杨林 王建勋 于 2020-12-04 设计创作，主要内容包括：本发明属于射频电路技术领域,公开了一种超宽带小型化功分器、设计方法、多路通信网络终端,通过ADS的原理图和版图的联合仿真,设计出粗略的功分器模型；通过HFSS优化出精细的仿真模型。本发明通过ADS的原理图和版图的联合仿真,设计出粗略的功分器模型,然后通过HFSS优化出精细的仿真模型,最后设计出的1G-15G超宽带一分为二功分器的测试结果表明,在整个频带内,其回波损耗小于-15dB,插损小于2dB,两端口隔离度小于-13dB。本发明运用波导来进行过渡,并且波导两次的平面地不能干扰到功分器的微带线,可以大幅度减少反射和损耗；电阻都是采用贴片电阻焊接在表面,焊接电阻以及接头时要尽量保证焊锡较少。(The invention belongs to the technical field of radio frequency circuits, and discloses an ultra-wideband miniaturized power divider, a design method and a multi-channel communication network terminal.A rough power divider model is designed through the joint simulation of a schematic diagram and a layout of an ADS (automatic dependent Surveillance) system; and optimizing a fine simulation model through HFSS. According to the invention, a rough power divider model is designed through the joint simulation of the schematic diagram and the layout of the ADS, then a fine simulation model is optimized through the HFSS, and finally, the test result of the designed 1G-15G ultra-wideband one-by-two power divider shows that the echo loss is less than-15 dB, the insertion loss is less than 2dB, and the isolation of two ports is less than-13 dB in the whole frequency band. The invention uses the waveguide to carry out transition, and the plane ground of the waveguide twice can not interfere with the microstrip line of the power divider, thereby greatly reducing reflection and loss; the resistors are welded on the surface by adopting the patch resistor, and the soldering tin is ensured to be less as much as possible when the resistors and the connectors are welded.)
技术领域
本发明属于射频电路技术领域，尤其涉及一种超宽带小型化功分器、设计 方法、多路通信网络终端。
背景技术
目前：超宽带技术因其隐蔽性好，传输速 率高，空间容量大等优良性能，在微波系统中有着广阔的应用前景。超宽带技 术对频带的要求高，因此，制作宽频带的微波射频器件成为了研究重点。功分 器是一种将输入信号功率分为几路输出的多口微波网络，在多路通信网络、相 控阵雷达等微博设备中应用广泛。功分器还可以逆向使用进行功率合成，所以 也有人称其为功率分配/合成器。在实际工程中主要使用的是威尔金森功分器， 因为它具有良好的相位特性和设计简单等优点。
微波系统对传统的功分器需求量迅猛增加，技术要求趋向于宽频带、高性 能、小型化的特点，因此功分器的设计难度也不断增加。功分器是一种将输入 信号功率分为几路输出的多口微波网络，在多路通信网络、相控阵雷达等微博 设备中应用广泛。功分器还可以逆向使用进行功率合成，所以也有人称其为功 率分配/合成器。在实际工程中主要使用的是威尔金森功分器，因为它具有良好 的相位特性和设计简单等优点。微波系统对传统的功分器需求量迅猛增加，技 术要求趋向于宽频带、高性能、小型化的特点，因此功分器的设计难度也不断 增加。
简单的二等分功分器属于三端口网络，普通的无耗互易三端口网络达不到 完全匹配，且输出端口间无隔离。而一般射频微波工程上对信道之间的隔离要 求很高，Wilkinson的理论主要是在简单功分器中引人了隔离电阻，功分器变 为有耗的三端口网络，从而实现信号链路的匹配与隔离，从而改善功分器的性 能。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有技术超宽带功分器主 要采用的是多节匹配的方法，运用这种方法得到的功分器性能比较良好，体积 太大，而且容易出现频带内损耗过大的情况。
解决以上问题及缺陷的难度为：由于超宽带功分器的频带较宽，所以所需 枝节过多，导致功分器的尺寸很难变小，而且功分器的频带跨度较大，因此为 了保证功分器在全频带范围内的性能，必须让功分器在不同频段都有良好的过 渡，其带内插损在超宽频带处于线性趋势是相当困难的。
解决以上问题及缺陷的意义为：当今社会，对于“便携式”这个词语有了 相当大的要求，因此，尺寸就成了射频电路最重要的指标之一，为此功分器的 尺寸缩减对于现在的应用至关重要。带内插损的线性递减，分析射频电路的性 能会更加方便，更有利于电路设计的准确性。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种超宽带小型化功分器、设计 方法、多路通信网络终端。
本发明是这样实现的，一种超宽带小型化功分器的设计方法，所述超宽带 小型化功分器的设计方法包括：
通过ADS的原理图和版图的联合仿真，设计出粗略的功分器模型；
通过HFSS优化出精细的仿真模型。
首先通过ADS的快捷助手设计出粗略的形状，但是此时功分器还是处于多 节环的状态，因此需要手动调整每个环的参数来减少环的数量；接着把得到的 模型放入到ADS的版图之中，进行模拟仿真；然后把版图和原理图进行联合仿 真，调节微带线的参数，使其满足指标要求。
接下来把得到的模型放入到HFSS中进行仿真，此时首先对其进行参数优 化，让整个电路的参数满足指标要求；接着给功分器加上腔体，观察外部腔体 对于功分器性能的影响，然后再在功分器的端口处加上选好的接头，并且把接 头处的焊锡进行模拟，最后再在功分器上加上过孔，要注意过孔的位置不能离 微带线太近，防止其成为共面波导。
进一步，所述超宽带小型化功分器的设计方法的特性阻抗为Zc的微带线分 成两路，Zc设为50Ω，分成的两路微带线阻抗分别为Zc2和Zc3，并且长度都 为λ/4，λ为波长，如果设计等分的功分器，则Zc2和Zc3的阻值应该相同，如果 设计的功分器是不等分的，则Zc2和Zc3就不同，在两路微带线的末端需要加 隔离电阻R，对应的电压和功率分别为U1、U2和P2、P3，端口3的输出功率 与端口2的输出功率比值为k2：
k2＝P3/P2；
而端口2和端口3到端口1的长度均为λ/4，两端口的电压就应该相等：
P2＝U2 2/Zc2；
P3＝U3 2/Zc3；
两式相除，代入U2＝U3得：
Zc2＝k2Zc3；
假设：
R2＝kZc；
R3＝Zc/k；
得：
为了实现输出端口的隔离：
在等分的情况下，P2＝P3，k＝1，推导出：
R2＝R3＝Zc；
R＝2Zc。
进一步，所述超宽带小型化功分器的设计方法使用ADS的设计向导功能来 粗略设计出功分器的大概模型，调节得到的三阶功分器；将ADS原理图模型导 入到版图中去，将ADS的版图和原理图进行联合仿真，再次对模型进行调整； 将所得到的模型导入到HFSS中进行仿真。
进一步，所述超宽带小型化功分器的设计方法采用西南微波的Φ＝1.5mm的 接头。
进一步，所述超宽带小型化功分器的设计方法在过渡时采用波导渐近线匹 配的过渡。
本发明的另一目的在于提供一种由所述超宽带小型化功分器的设计方法得 到的超宽带小型化功分器，所述超宽带小型化功分器在功分器两侧多打孔；功 分器的三个端口全部为50Ω匹配；在环状结构前的匹配枝节切出一个三角形， 这样减少功分时的反射，三阶环所需要的电阻处于环与环的过渡部分，使用的 电阻为贴片电阻，这样可以减少成本，电阻值按照理论来进行设计，螺丝处于 过渡接口部分，内部螺丝处于三阶环两侧以及两个输出的中间。
进一步，所述超宽带小型化功分器的功分器腔体材料为铝，基板介质为 Rogers4003，基板厚度为0.508mm，微带线材料为铜。
进一步，所述微带线采用敷铜结构。
本发明的另一目的在于提供一种多路通信网络终端，所述多路通信网络终 端安装有所述的超宽带小型化功分器。
本发明的另一目的在于提供一种相控阵雷达，所述相控阵雷达安装有所述 的超宽带小型化功分器。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明的 腔体结构为铝，采用的介质板为Rogers4350，此功分器主要运用于频率源等频 带较宽的仪器中，大多数超宽带功分器采用的节数较多，导致功分器的体积较 大，采用三阶环状来进行全频带匹配。由于过渡部分极易产生损耗和反射，因 此采用特殊的过渡方法，主要运用波导来进行过渡，并且波导两次的平面地不 能干扰到功分器的微带线，由于过渡部分场结构的原因，波导地的地孔位置比 较关键，这样可以大幅度减少反射和损耗。并且为了贴合实际，介质板厚度为 0.254mm，这样可以保证功分器不易损坏，但是会对性能参数有较大影响。本发明内的电阻都是采用贴片电阻焊接在表面，因此焊锡的厚度对于功分器也是有 较大影响，焊接电阻以及接头时要尽量保证焊锡较少。由于功分器主要是微带 线结构，固定螺丝的位置也必须保证功分器的微带线结构，因此螺丝主要处于 过渡接口部分，内部螺丝主要处于三阶环两侧以及两个输出的中间。微带线主 要采用敷铜结构。
本发明通过ADS的原理图和版图的联合仿真，设计出粗略的功分器模型， 然后通过HFSS优化出精细的仿真模型，最后设计出的1G-15G超宽带一分为二 功分器的测试结果表明，在整个频带内，其回波损耗小于-15dB，插损小于2dB， 两端口隔离度小于-13dB。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所 需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请 的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下 还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的超宽带小型化功分器的设计方法流程图。
图2是本发明实施例提供的等分Wilkinson功分器结构的示意图。
图3是本发明实施例提供的Φ＝1.5mm的接头示意图。
图4是本发明实施例提供的接头处过渡匹配的示意图。
图5是本发明实施例提供的功分器S11实测图。
图6是本发明实施例提供的功分器S21实测图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例， 对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以 解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种超宽带小型化功分器、设计 方法、多路通信网络终端，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明提供的超宽带小型化功分器的设计方法包括以下步骤：
S101：通过ADS的原理图和版图的联合仿真，设计出粗略的功分器模型；
S102：通过HFSS优化出精细的仿真模型。
本发明提供的超宽带小型化功分器的设计方法业内的普通技术人员还可以 采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的超宽带小型化功分器的设计方法仅 仅是一个具体实施例而已。
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。
1设计原理，简单的二等分功分器属于三端口网络，普通的无耗互易三端口 网络达不到完全匹配，且输出端口间无隔离。而一般射频微波工程上对信道之 间的隔离要求很高，Wilkinson的理论主要是在简单功分器中引人了隔离电阻， 功分器变为有耗的三端口网络，从而实现信号链路的匹配与隔离，从而改善功 分器的性能。图2的等分Wilkinson功分器结构。
首先特性阻抗为Zc的微带线分成了两路，为了与微波系统进行匹配，把Zc 设为50Ω。分成的两路微带线阻抗分别为Zc2和Zc3，并且长度都为λ/4(λ为波 长)，如果本发明要设计等分的功分器，则Zc2和Zc3的阻值应该相同，如果本 发明设计的功分器是不等分的，则Zc2和Zc3就不同。为了增加隔离度，在这 两路微带线的末端需要加隔离电阻R，对应的电压和功率分别为U1、U2和P2、 P3，假设一般情况下，端口3的输出功率与端口2的输出功率比值为k2，即：
k2＝P3/P2；
而端口2和端口3到端口1的长度均为λ/4，所以两端口的电压就应该相等。 又因为：
P2＝U2 2/Zc2；
P3＝U3 2/Zc3；
两式相除，代入U2＝U3得：
Zc2＝k2Zc3；
假设：
R2＝kZc；
R3＝Zc/k；
可得：
为了实现输出端口的隔离：
在等分的情况下，P2＝P3，k＝1，可推导出：
R2＝R3＝Zc；
R＝2Zc；
二路功分器的频带范围都较窄，只有当工作频率等于中心频率时，才能够 得到理想的隔离和匹配。理论分析认为增加功分器节数可以扩大工作带宽，但 引入的插损也会越大，而且现今小型化也是功分器的一个重要指标，因此，需 要根据技术指标来选择最合适的功分器的节数。
2仿真建模与优化分析
本发明设计的功分器工作频带为1G-15G的超宽带小型化功分器，其主要的 技术指标为：端口的反射S11需要小于-10dB，在整个频段内带内波动要小于 ±0.5dB，由于需要设计的功分器属于超宽带功分器，而且需要将其小型化，所 以选择功分器的节数至关重要。
本发明的设计首先是使用ADS的设计向导功能来粗略设计出功分器的大概 模型，但是如果将指标完整的输入到ADS中，则得到的功分器将为20节以上， 完全不能满足小型化的要求，因此本发明需要将指标略微缩减，从而得到一个 三阶的功分器。由于本发明将指标进行了压缩，因此本发明需要手动调节得到 的三阶功分器，使其在理论模型上尽量比指标要求的参数更好。然后将ADS原 理图模型导入到版图中去，本发明所使用的电阻为贴片电阻，因此在版图中并 不能显示出电阻的模型，需要将ADS的版图和原理图进行联合仿真，再次对模 型进行调整。最后，本发明将所得到的模型导入到HFSS中进行仿真。但是，由于本发明的指标比较严格，因此仿真时本发明需要将模块的整体完全考虑进去， 因此在建模时，本发明需要将外部腔体的模型和接头的模型都要按照实际的物 体尺寸进行仿真，甚至本发明需要把焊接电阻和接头的焊锡厚度都要进行考虑。
由于本发明对于带内平坦度的要求非常高，因此模型中接头与功分器模型 的过渡尤为重要，本发明设计中采用的是西南微波的Φ＝1.5mm的接头，其结构 如图3所示。
而且在过渡时也是采用的特殊结构，主要采用的是波导渐近线匹配的过渡， 如图4所示。
功分器的隔离电阻可以按照书中所给的多节功分器理论隔离电阻，对其进 行微调后来确定，以上得到的即为功分器的仿真模型。
3加工测试
本发明设计的功分器腔体材料为铝，基板介质为Rogers4003，为防止功分 器被折断，本发明设计基板厚度为0.508mm，微带线材料为铜，为保证充分接 地，需要在功分器两侧多打孔，同时此举还可以保证微带线的耦合尽量小。装 配完成的功分器的三个端口的接头全部采用西南微波的1492-04A-6，这样可以 把过渡带的反射降到最低，并且随着频率的升高，其损耗呈现出线性递减的态 势。功分器的三个端口全部为50Ω匹配，这样更适合各种电路。本发明的腔体 结构为铝，采用的介质板为Rogers4350，此功分器主要运用于频率源等频带较 宽的仪器中，大多数超宽带功分器采用的节数较多，导致功分器的体积较大，采用三阶环状来进行全频带匹配。由于过渡部分极易产生损耗和反射，因此采 用特殊的过渡方法，主要运用波导来进行过渡，并且波导两次的平面地不能干 扰到功分器的微带线，由于过渡部分场结构的原因，波导地的地孔位置比较关 键，这样可以大幅度减少反射和损耗。并且为了贴合实际，介质板厚度为 0.254mm，这样可以保证功分器不易损坏，但是会对性能参数有较大影响。本发 明内的电阻都是采用贴片电阻焊接在表面，因此焊锡的厚度对于功分器也是有 较大影响，焊接电阻以及接头时要尽量保证焊锡较少。由于功分器主要是微带 线结构，固定螺丝的位置也必须保证功分器的微带线结构，因此螺丝主要处于 过渡接口部分，内部螺丝主要处于三阶环两侧以及两个输出的中间。微带线主 要采用敷铜结构。
图5和图6为功分器实测数据图。由图5可知，在功分器的工作频带内， 其S11可以达到-15dB左右，远远超过技术指标的要求范围。但是观察实测数据 可知，在17G左右时产生了波动，导致功分器没能达到0-20G的超宽带使用范 围，经过分析后发现，这是由于在焊接贴片电阻时焊锡涂抹过多所导致的，不 过因其不影响功分器的使用，所以并未重新制作。由图6可知，在0-17GHz时， 其带内波动小于±0.5dB。功分器设计与理论分基本符合，满足设计需求。图5 和图6为功分器S11和S12的实测图，由图可以看到，在1-15G的频带范围内， 功分器的反射小于-15dB，损耗处于±0.5dB，并且随着频率的增高，损耗大致处 于线性递减的趋势。
本发明通过ADS和HFSS的联合仿真，设计出了1G-15GHz的超宽带小型 化功分器，通过测试发现，其在整个工作频带内指标良好，满足了所需频带的 超宽带小型化功分器的需求。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于 此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明 的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的 保护范围之内。