在你打開手機一邊在線聽著音樂，一邊下載老師或是老板發(fā)送的文件的時候，有沒有想過你只接收了一路信號卻分別得到了音頻與文字信息。難道這一路信號我們一直使用到底嗎？顯然這是不可能的，我們需要將信號在保持特性的情況下分散開，再分別從中提取有用的信號。而這正需要用到微帶功分器這一器件。

微帶功分器，顧名思義，其作用是將輸入的信號按一定功率比分開輸出且保持信號的相位相同。功分器作為微波器件中基礎(chǔ)而重要的器件，在現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)發(fā)展以及相控陣?yán)走_(dá)研發(fā)中都有著關(guān)鍵的用處。而實際上在極高的頻率下，需要的等效電路元件值極小，同時為了實現(xiàn)較高的集成度，人們常使用微帶線完成功分器的設(shè)計。

這篇發(fā)表于《微波與無線元件》（IEEE Microwave and Wireless Component Letter）期刊上的論文設(shè)計了一基于SIDGS結(jié)構(gòu)的無源微帶二路功分器。該功分器的綜合性能表現(xiàn)優(yōu)于現(xiàn)有設(shè)計，擁有巨大的應(yīng)用前景。

設(shè)計亮點

該功分器的核心可以分為功分部分與濾波部分。輸入信號經(jīng)過功分部分后被均分，再各自通過相應(yīng)頻率的帶通濾波器后輸出。功分與濾波部分分別采取改良的WPD（威爾克森功分器）結(jié)構(gòu)和SIDGS結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。

該功分器的亮點即在于引入SIDGS結(jié)構(gòu)。SIDGS結(jié)構(gòu)源于DGS結(jié)構(gòu)（缺陷接地結(jié)構(gòu)）。相比一般的微帶線設(shè)計中擁有完整的金屬地，DGS結(jié)構(gòu)通過在金屬地上雕刻出各種各樣的花紋來實現(xiàn)阻抗變換的功能。后來DGS這一特點拓展到其他器件的設(shè)計中，科研人員將其運用到濾波器、功分器、巴倫等等方面，都有許多成果。

但是在實際使用中，DGS本身依賴于對金屬地的缺陷雕刻，所以導(dǎo)致制成的器件不能直接作用于外部金屬結(jié)構(gòu)，以免破壞了其基本特性。同時也與普通微帶結(jié)構(gòu)相似，在更高頻下對外會產(chǎn)生較大輻射。

而SIDGS就針對這兩個缺點，通過引入額外地以及接地金屬通道的方式，首先保證我們進(jìn)行雕刻的金屬地不與外部有直接的物理接觸，防止了其失效的可能。同時通過引入貫穿的金屬通道達(dá)到基片集成的效果，進(jìn)一步保證金屬地的缺陷特性不會受到外界影響。后來實物測試還將證明這一設(shè)計還能解決困擾著科研人員的電磁輻射問題。

DGS與SIDGS模型示意對比

性能優(yōu)點

其基本參數(shù)相比現(xiàn)有的功分器有一定提升，但是該設(shè)計最大的優(yōu)點在于由SIDGS所引入的極寬阻帶和極小電磁輻射。

如第一節(jié)中的示意圖，相比基于DGS設(shè)計的功分器結(jié)構(gòu)，隨著頻率的增加，傳統(tǒng)功分器傳遞中的信號能量容易直接發(fā)射到空氣中去，發(fā)揮出類似天線的輻射效果。然而在SIDGS的結(jié)構(gòu)中，金屬通道的存在使得最邊緣兩層相互溝通，發(fā)揮出類似波導(dǎo)的屏蔽效果，有效將電磁能量“鎖定”在缺陷地與上下金屬層之間，從而達(dá)到極寬阻帶和極小電磁輻射的效果。

在這一方面的性能提升的意義在于，將該功分器應(yīng)用到具體系統(tǒng)中時，極小的電磁輻射能夠減少該器件對其余部分的影響，提升系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性。同時缺陷地的應(yīng)用本身也更適合實際芯片無完整地的特性，能夠滿足集成設(shè)計的要求。

該功分器的幅頻特性曲線 

應(yīng)用前景

該功分器作為一基礎(chǔ)元件，將來可能在無線通信以及相控陣?yán)走_(dá)等應(yīng)用中大放異彩。

在無線通信領(lǐng)域中，在接收端、信號處理端、發(fā)射端均可以得到應(yīng)用。例如為了增大信號的覆蓋范圍，可以利用功分器將輸出信號進(jìn)行等分后經(jīng)兩方向不同的天線進(jìn)行發(fā)射。這種方法在人數(shù)較少的山區(qū)中應(yīng)用比較廣泛。因為不增加額外的信號產(chǎn)生組件，在節(jié)省功率和成本上都有很大意義。

相控陣?yán)走_(dá)作為現(xiàn)代軍事中最新也是最強的雷達(dá)技術(shù)。由于擁有精度高、范圍大、捕捉目標(biāo)多以及能耗小等優(yōu)點，在軍事領(lǐng)域影響巨大，美軍的“宙斯號”航空母艦以及我國自主研發(fā)的“中華神盾”上均搭載有該雷達(dá)。其基本原理就是發(fā)射多路經(jīng)過處理的探測信號，在空氣中疊加形成集中的能夠發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的雷達(dá)波束，并且通過控制部分改變發(fā)射信號使得波束的探測方向能自由改變。而在預(yù)處理中需要得到許多相同特性的信號，就要將信號源發(fā)出的信號進(jìn)行均分，性能優(yōu)異的功分器正好可以滿足這一需求。

搭載有我國自研相控陣?yán)走_(dá)的艦橋