77GHz 毫米波雷达功分器设计

1.引言

在当前复杂的微波收发系统中，通常需要将微波信号分成几路，分别用于各个通道，对于功分信号的幅相一致性、隔离度等有越来越高的要求。在毫米波以及更高频段下，传统威尔金森功分器存在两路输出端之间耦合严重，并且隔离电阻尺寸在毫米波高频下无法忽略，使传统威尔金森功分器的电路性能和应用受到局限。常规微带功分器设计中，对输出支路之间的耦合效应和隔离电阻的传输线效应没有统一考虑，从而导致了在更高频段下的幅相一致性差的问题。针对上述问题，本文提出了一种基于薄膜电路工艺的新型威尔金森功分器，该设计通过减少两路输出支路之间耦合和考虑隔离电阻的传输线效应[3]，较好地解决了传统威尔金森功分器在毫米波频段下幅相一致性差的问题。

2.原理分析

传统威尔金森功分器的设计忽略了隔离电阻在毫米波频段下的传输线效应，并且两路输出端在毫米波频段下间距小，导致严重耦合，电路原理模型如图1(a)所示。新型的威尔金森功分器模型考虑了隔离电阻在毫米波下的传输线效应，并在两路输出端和理想电阻之间增加了一段额外的传输线，该段传输线能够增加两臂之间的距离，从而减少两臂之间的耦合，降低隔离电阻分布参数的影响，电路原理模型如图1(b)所示。威尔金森功分器的特性分析

基于电路的对称性，进行偶模和奇模分析，如图2所示。ZINA、ZINB 分为从端口2 向左、向下看的等效阻抗；对称位置的阻值为R 隔离电阻分解为两个阻值为R/ 2的电阻串联，电路中的所有阻抗均归一化，其中将两臂的阻抗和电长度设为01 Z 和1θ，支路的电长度和特性阻抗为02 Z 和2 θ ，隔离电阻归一化阻值为r 。

2.1 偶模分析

在偶模激励下，对称位置激励的信号具有相同的幅度和相位，从而对称位置等效于开路，因此其隔离电阻可以忽略不计，该电路可以等效为简单的双端口匹配网络。从端口2 看入，我们可以得出：

由并联阻抗与端口2 的阻抗匹配得出：

2.2奇模分析

在奇模激励下，对称位置激励的信号具有相同的幅度，但是相位相反，从而对称位置等效于接地短路。对于这种激励模式，端口2 是匹配的，全部功率都传送到r/2 电阻上，而没有进入端口1。采用和偶模分析相同方法，我们可以得出：

3.仿真设计

本功分器设计选用厚度为0.254mm,介电常数为9.6 的99.6% Al2O3作为基片材料，相比其他材料，其损耗低、强度高、热导率高。根据前文理论分析，在W 波段下设计了的一种改进型功分器，其模型如图5 所示。图中端口1 为输入端口，端口2和端口3 为输出端口，在隔离电阻与双臂之间增加了一段二分之一波长的微带线，即不影响隔离电阻，又可以使两路输出支路在一条直线上，从而减小了两路输出端之间的耦合度，提高两路输出信号的幅相一致性。采用HFSS 对其进行三维电磁仿真，仿真结果如图6 所示。

由图6 仿真结果可知，在75GHz~78GHz 范围内，两路功率不平衡度小于0.15dB，插入损耗小于3.7dB，在中心频率处相位相差0.5°，输入反射系数大于20dB，端口隔离度大于10dB。

4.实验验证

基于上述仿真设计结果，对该功分器进行了实物加工和基于系统的测试，整个电路外形尺寸为2.5mm×3mm，其实物照片如图7 所示。

该设计已成功应用于W 波段毫米波收发组件， 该组件测试结果显示： 在中心频率为76.5GHz，带宽1GHz 内，发射功率为11dBm，接收支路噪声系数为6.5dB，增益27dB。各项测试指标满足系统要求并已成功应用于W 波段FMCW 防撞雷达，证明了这种新型功分器结构的正确性和合理性。

5.结论

该功分器设计中通过减少输出支路之间的耦合效应，并充分考虑隔离电阻的传输线效应，有效改善了功分器的幅相一致性，但是由于在输出支路和隔离电阻之间引入了二分之一波长的传输线，导致工作带宽较窄，有待后续继续研究改进。

参考文献

[1] Dimitrios Antsos, Rick Crist,LinSukamto. A Novel Wilkinson Power Divider Eith Predictable Performance at Kand Ka-band.

IEEE Transactions on Microwave Theoryand Techniques,1994.

[2] Xu Hongjie, Zhang Yonghong, FanYong. Ka-band Wilkinson power divider based on chip resistor[C]. 2007International

Conference on Microwave and MillimeterWave Technology. Builin:[s.n.],2007:1-4.

[3] Stephen Horst, RamananBairavasubramanian, Manos M.Tentzeris. Modified Wilkinson Power Dividers forMillimeter-Wave

Integrated Circuits. IEEE Transactionson Microwave Theory and Techniques,Vol 55, No.11,November 2007

[4] B.Boukari, D.Hammou, E.Moldovan.NHMICs on Ceramic Substrate for Advanced Millimeter Wave Systems. IMS2009