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1、装订线 一种新型超宽频带反相微波功率分配网络的研究与设计 摘 要宽频带反向功率分配器在超宽频带单脉冲跟踪雷达天线和超宽带圆极化天线中具有重要意义。为实现超宽频带反向功率分配，论文利用槽线传输线代替了常规微带传输线；为了实现宽带阻抗匹配，论文利用了多节阻抗变换的原理。由于同轴线和槽线无法直接相连，为了实现槽线和同轴线功率的传输，论文采用了双Y-Y结构的槽线-微带线能量转换器。论文利用电磁场理论，设计了一个2-18GHz的超宽频带、反相功率分配器，并利用传输线理论、微波网络理论及有限元方法计算了传输信号的幅度、相位和驻波比等性能，计算结果验证了设计过程的正确性。关键词：功率分配器 转换接头 超宽频
2、带 反相 阻抗匹配AbstractThe ultra-wideband anti-phase power divider (UWBAPD) has great significance in UWB mono-pulse tracking radar antenna and ultra-wideband circular polarized antenna. In this paper, the slotline instead of the conventional microstrip transmission-line to make the divider has character
3、of ultra-wideband anti-phase. To realize UWB, the multi-sections impedance transforming technique is adopted. Because coaxial cables and slot line can not be connected directly, the energy converter with double Y-Y structure of the slotline to microstrip line is applied. Based on these electromagnet
4、ic theories, a UWB power divider which can operate in band of 2-18GHz is designed and its characters including amplitude, phase and voltage standing wave ratio (VSWR) and so on are calculated using the hybrid method combined with theories of transmission-line, microwave and infinite element method.
5、All these calculated results verify the correctness of the designing procedure.Key words: Power divider Conversion joint Ultra-wideband Impedance matching Anti-phase 第一章 绪论1.1 研究背景微波功率分配器（简称功分器）是将输入微波信号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，广泛应用于微波与通信系统。根据两输出端口的相差，功分器分为同相分配型和反相分配型。它可以是有耗或者无耗的三端口器件，经常采用T型结的形式来实
6、现。功分器经常是等分形式，但也有不等的功分比。要求各个输入输出端口之间要相互隔离，输入输出端口要匹配。随着通信技术和雷达技术的迅猛发展，对功分器的性能也提出了新的要求，而传统的功分器只能工作在单一的频点及其奇次谐波处，已经远远不能满足现代技术的多频和宽带的要求。近年来，研究体积小、损耗低、隔离度好的宽带功分器已成为热点之一，因此开展宽带功分器的研究具有很重要的现实意义和价值。功分器这类器件的基本原理与设计技术的大量文献已相继出现，从六七十年代到现今阶段，已涌现了从立体结构到平面结构，从窄带到宽带器件的大量研究成果，并且这些成果已广泛应用于微波工程技术领域，如平衡功率放大器、平衡混频器和天线阵列
7、等微波电路中。实际上，功分器可以用任意类型的传输线来实现，微带结构的功分器因其结构紧凑、性能稳定、成本低、易实现双频段或宽频段等特点而在微波技术领域有着极其广泛的应用。最早提出的功分器是利用四分之一波长传输线的阻抗变换特性来实现的，但是由于其工作频段和工作带宽等局限，已经不能适应现代无线通信和雷达技术的宽带和多频的要求。然后，又提出了一系列新型宽带功分器，其中比较常见的是通过增加功分器的串联节数、增加分立支节和利用耦合线段宽带特性等方法来实现功分器的宽带特性，但是这些方法会带来电路尺寸偏大，不便加工和制作等缺点。随后又提出宽频带反相功率分配器，实现了平衡/差分电路，在改善微波电路性能方面有很广
8、泛和有效的应用前景。在微波设备中，如单脉冲天线和圆极化天线，使用了宽频带反相功分器。在单脉冲天线中，由和差比较器产生的方位差信号和俯仰差信号能确定目标相对于雷达天线视角的方位，故使用反相功分器产生差信号以实现跟踪功能。在圆极化天线中，由极化产生四个幅度相等，相位相差的信号，故圆极化天线可接收任意线极化来波，并且圆极化天线辐射波可由任意线极化天线收到，所以在圆极化天线中使用反相功分器产生相位差为的信号，即反相信号，实现接受任意方向的来波信号。为实现宽带反相功率分配，本文所提出这种新型宽频带功分器，采用多阶梯阻抗变换和双Y-Y微带线-槽线过渡结构来实现，并通过印刷电路板技术在微波介质基片实现，制作
9、简单，尺寸小，低成本。 1.2 本论文的主要工作本文的研究内容是以宽频带技术在现代无线通信系统和雷达天线中的应用为背景，对宽带功分器进行了简单的研究。各章的主要内容概述如下：（一）主要介绍功分器的研究背景和发展概况，提出了设计宽频带反相功分器的必要性。（二）分析功分器设计的基本原理，主要介绍了四分之一波长阻抗变换器的等效原理，基于微波网络理论推导出功分器的各个设计参数。（三）利用微带线基本理论和槽线基本理论分析微带线和槽线在结构上的差别，得出微带线-槽线的过渡接头能实现微带线的场模式到同轴线场模式的转换，所以利用此转换结构实现场模式的转换，完成信号的传输。 （四）根据以上的理论分析设计了一种超
10、宽频带反相功分器，该功分器由多节四分之一波长阻抗变换器和微带线-槽线过渡接头组成，在此基础上使用FORTRAN语言编写程序，验证设计的正确性，并利用HFSS仿真软件建立了功分器的仿真模型进行场分析。第二章 宽频带微波功率分配器2.1 功率分配器在微波设备中，常需要将输入功率按一定比例分配到各分支电路中，例如对相阵控雷达，要将发射机分配到各个发射单元中去。定向耦合器也是一种功率分配器，在数目较少的功率分配电路中也可用定向耦合器作为功率分配器，但定向耦合器的结构较复杂，其功率分配的比值又往往与频率有关，而在较复杂的功率分支电路中（特别是微波电路）所需元件较多，在数目较少的功率分配电路中也可用定向耦
11、合器作为功率分配器。功率分配器的基本要求是：输出功率按一定的比例分配，各输出口之间要相互隔离以及各输入输出口必须匹配1。2.1.1 两路微带功率分配器两路微带功率分配器的平面结构如图(2.1.1)所示，其中输入端口特性阻抗为，分成的两段微带线电长度为，特性阻抗分别为和，终端分别接有电阻和。 图2.1.1 两路微带功率分配器的平面结构功率分配器的基本要求如下： 端口“”无反射。 端口“、”输出电压相等且同相。 端口“、”输出功率比值为任意指定值，设为。根据以上三条有 (2.1.1) 由传输线理论有 (2.1.2)这样共有、四个参数而只有三个约束条件，故可任意指定其中的一个参数，现设，于是由上两式
12、(2.1.1)和(2.1.2)可得其他参数为：（2.1.3） 实际的功率分配器终端负载往往是特性阻抗为Z0的传输线，而不是纯阻抗。此时可用阻抗变换器将其变为所需电阻，另一方面、 等幅同相，在“、”端跨接电阻，既不影响功率分配器性能，又可增加隔离度。于是实际功率分配器平面结构如图(2.1.2)所示，其中、及 由公式（2.1.4）确定 (2.1.4) 图2.1.2 实际功率分配器平面结构图2.1.2 宽频带等分功率分配器和其他微带电路2元件一样，功率分配器也有一定的频率特性，图(2.1.3)给出了二等分功率分配器的频带特性。由图可以看出，当频带边缘频率之比时，输入驻波比，能基本满足输出两口隔离度的指标要求，与电桥的频带特性相比较，可看出其频带比电桥宽得多。 图2.1.3 单节二等分功率分配器的频率特性但是当时，其各部分指标也开始下降，隔离度只有，输入驻波比也达到。为了进一步加宽工作频带，可以用多节的宽频带功率分配器，即和其它一些宽频带器件一样，可以增加节数，即增加线段和相应的隔离电阻的数目。分析结果表明，即使节数增加不多，各指标也可有较大的
