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卫星通信用宽带多路功分器设计与实现

2020/04/26 阅读:

【摘要】本文介绍了一种通过wilkinson功分器进行卫星通信用多路宽带功分器的设计方法,通过ADS软件仿真,实物加工调试测试以及用户的最终试用,符合设计指标需求,满足系统应用。

【关键词】功分器;多路;宽带

在卫星通信中测试中或者系统应用中,经常会出现一个射频前端与多路终端主机连接的情况,在这些应用中,为了成本和系统结构优化考虑,需要用到信号一分多路设备和信号多路合一路的设备来实现多个终端共用一个射频通道。这个时候需要用到功分器进行系统设计。功分器它是一种将一路输入信号分成多路信号输出或者多路信号输入合成一路输出的器件。由于系统应用频率950MHz~2150MHz跨越了一个倍频程,设计中使用的一分二功分电路采用了三阶功分电路级联的形式,使用ADS软件进行电路仿真及优化,采用Diclad880板材进行实物制作。其参数如下:厚度H=0.508mm;介电常数Er=2.2。

一、设计与仿真

1.1用户指标需求:工作频率:950MHz~2150MHz;插入损耗:0.6dB;驻波:≤1.2;输入输出阻抗:50欧姆;隔离度:≤25dB。1.2功分器分析一分二的等功分器是三端口网络,且由于其为无源器件,又可互易工作,所以反向使用时,又可称作为合路器。其分析如下:理想情况下,在作为等功分器进行使用时,输入功率P1=P2+P3,P1、P2、P3以dBm进行表示。但是实际制作时,由于微带电路以及连接器本身所带来的损耗,所以功率会有一定的损耗,也就是上面指标里所提到的插损指标,所以基本是P1>P2+P3。在作为等合路器使用时,P2+P3=P1,P1、P2、P3以dBm进行表示。同样的由于微带电路以及连接器本身带来的损耗,实际输出有一定的损耗,所以基本是P2+P3>P1。为了尽量的减小损耗,所以对仿真和电路板的加工都有一定的要求。仿真需结合实际的加工工艺进行计算。微带wilkinson功分器的电路图结构如下图2所示:在图2中,单级等功分器的微带线输入输出端口Z0阻抗均为50欧姆,输入输出端口之间的微带线Z1阻抗为2Z0,Z1微带线:L=λg/4,是为了满足对(1)端口的无反射条件。端口(2)源端口(3)之间的电阻值为100欧姆,起到两个端口之间的隔离作用。在实际设计建模过程中,λg/4线可以选作中心频率的波长进行计算。由于本产品要求的工作频率范围超过一个倍频程工作,所以单节的λg/4阻抗变换器满足不了设计需求,需要用多阶阻抗变换器实现设计。一般情况下,选择的阶数多,频带扩展的宽,但是实际设计中,需要综合损耗、加工成本、体积等方面的要求,选择适合产品的阶数就可以进行设计。本产品由于跨越了一个倍频程,选择了三阶进行设计。1.3设计与仿真根据系统应用指标需求,及多路输入输出的特性,采用wilkinson电路进行设计,由于要求多路输出且频带超过了一个倍频程,采用了一分二级联三次的方式进行设计,一分二功分采用了三阶功分电路,满足宽带设计的需要。电路示意图如下:在上路图中,有三种隔离电阻,第一级电阻值100欧姆,第二级电阻值220欧姆,第三级电阻400欧姆。根据电路示意形式,在ADS软件里进行电路分析仿真,得到仿真结果,在工作频带内插损小于0.2dB、驻波小于1.2、隔离度大于25dB。根据最终的仿真结果,进行电路板的制作,实物如图4所示:最终测试结果插损在部分频点接近0.4dB,驻波小于1.1,隔离度均大于25dB。根据调试分析,插损值高于仿真的结果,为接地部分效果不良导致的。

二、结束语:

通过以上对wilkinson功分器的分析、软件仿真以及实物的加工测试,从最终的测试结果来看,基本能够符合设计预估,由于受到整体接地、腔体屏蔽以及电路板本身带来的损耗等方面的因素影响,插损高于实际仿真结果,可以通过改进电路板材,改善接地效果以及增加屏蔽罩等手段进行提升。该功分器的设计具有很好的工程应用效果,可以节省调试时间,达到批量生产的目的,目前此功分器已接受了用户的批量订货。

参考文献

[1]林为干.微波网络,国防工业出版社,1978。

[2]顾继慧.微波技术,北京科学出版社,2004。

[3]周扬.微波功率合成器设计研究.成都电子科技大学,2007

作者:王厚刚 单位:南京创吉信息科技有限公司

卫星通信用宽带多路功分器设计与实现

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