新型小型化超寬帶功率分配器?

李魏，范海軍，周希朗

新型小型化超寬帶功率分配器?

李魏，范海軍，周希朗

（上海交通大學(xué)射頻與微波技術(shù)研究中心，上海200240）

利用長(zhǎng)為四分之一波長(zhǎng)、兩端交叉短路的對(duì)稱耦合微帶線和長(zhǎng)為四分之三波長(zhǎng)折疊微帶線并聯(lián)結(jié)構(gòu)，提出一種新型小型化超寬帶功率分配器。在等效傳輸線模型的基礎(chǔ)上，采用奇偶模分解方法對(duì)其進(jìn)行了理論分析，給出了參數(shù)設(shè)計(jì)方程。利用HFSS仿真優(yōu)化一個(gè)微帶結(jié)構(gòu)的超寬帶功率分配器。仿真和測(cè)量結(jié)果表明，通帶內(nèi)插入損耗小于2 dB，輸入輸出端口的回波損耗分別大于10 dB和7 dB，隔離度大于6 dB，高頻帶外插入損耗在13～20 GHz范圍內(nèi)大于20 dB。該結(jié)構(gòu)尺寸僅為28 mm×32 mm，具有小型化的特點(diǎn)。

功率分配器；超寬帶；奇偶模分解方法；對(duì)稱耦合微帶線

1 引言

自從美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）2002年公布超寬帶標(biāo)準(zhǔn)以來(lái)，關(guān)于超寬帶器件的研究逐漸增加。到目前為止，已經(jīng)有很多設(shè)計(jì)超寬帶天線和濾波器的文獻(xiàn)［1－3］，但關(guān)于超寬帶功率分配器的文獻(xiàn)并不多。文獻(xiàn)［4］通過(guò)級(jí)聯(lián)多級(jí)威爾金森功率分配器來(lái)達(dá)到擴(kuò)展頻寬的目的，但這種結(jié)構(gòu)尺寸太大而且使用了更多的電阻。文獻(xiàn)［5］中使用微帶線到槽線形成的T型結(jié)構(gòu)，提出了一種小型化的異相超寬帶功率分配器。文獻(xiàn)［6］中采用了一對(duì)四分之一波長(zhǎng)短路分支線和一對(duì)平行耦合線設(shè)計(jì)超寬帶功率分配器，具有很好的帶通性能和隔離度，但這種結(jié)構(gòu)尺寸相對(duì)于現(xiàn)在的移動(dòng)設(shè)備尺寸仍比較大。通過(guò)在兩級(jí)級(jí)聯(lián)的威爾金森功率分配器的兩個(gè)分支上加入開(kāi)路分支線，也可以實(shí)現(xiàn)超寬帶功能［7］。文獻(xiàn)［8］提出用多層微帶線槽線耦合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)超寬帶功率分配器，具有很好的帶通性能和帶外抑制性能，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于加工。

本文采用長(zhǎng)為四分之一波長(zhǎng)、兩端交叉短路的對(duì)稱耦合微帶線和長(zhǎng)為四分之三波長(zhǎng)的折疊微帶線并聯(lián)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出一種新型小型化超寬帶功率分配器。兩端交叉短路對(duì)稱耦合微帶線的引入不僅可以增加通帶內(nèi)的傳輸極點(diǎn)，還可以在帶外引入傳輸零點(diǎn)。使用折疊微帶線可以進(jìn)一步減少結(jié)構(gòu)尺寸。采用奇偶模分解方法對(duì)其進(jìn)行理論分析，得到相應(yīng)的設(shè)計(jì)方程。利用給出的初始設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)此功率分配器進(jìn)行了仿真優(yōu)化，最后加工成實(shí)物，仿真和測(cè)量結(jié)果具有很好的一致性。

2 設(shè)計(jì)原理

圖1給出了本文所設(shè)計(jì)的功率分配器結(jié)構(gòu)圖。由于其結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，因此采用奇偶模分解方法［9］來(lái)分析它。

2.1 偶模分析

功率分配器的偶模等效電路如圖2（a）所示。Y2和θ2分別表示折疊微帶線的特性導(dǎo)納和電長(zhǎng)度，θc是對(duì)稱耦合微帶線的電長(zhǎng)度。由于θ1較小，分析過(guò)程中忽略Y1。推導(dǎo)出此兩端口網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)納矩陣［10］為

式中，Yo＋＝Y(jié)oe＋Yoo，Yo－＝Y(jié)oe－Yoo。Yoe和Yoo分別是對(duì)稱耦合微帶線的偶、奇模特性導(dǎo)納。經(jīng)過(guò)復(fù)雜的代數(shù)運(yùn)算，端口1和2的輸入導(dǎo)納分別為

其中：

當(dāng)Yein1＝Y(jié)p1、Yein2＝Y(jié)p2時(shí)，端口實(shí)現(xiàn)匹配。由θ2＝3θc＝1.5π，從式（2）可以得到：

2.2 奇模分析

功率分配器的奇模等效電路如圖2（b）所示，得到端口2的輸入導(dǎo)納為

3 仿真與測(cè)試結(jié)果

本文采用相對(duì)介電常數(shù)為2.65、厚度為0.8 mm、損耗角正切為0.001的介質(zhì)基片。利用上文中分析得到的特性阻抗計(jì)算出該結(jié)構(gòu)的初始值，利用HFSS仿真優(yōu)化得到最終的尺寸為：L1＝8.4 mm，L2＝9.4 mm，L3＝5.8 mm，Lc＝5.7 mm，W1＝1.7 mm，Wc＝1 mm，Wg＝1.1 mm，Wf＝2.2 mm。

加工出的實(shí)物如圖3所示，尺寸為28 mm× 32 mm。仿真和測(cè)量結(jié)果如圖4所示。

仿真的S11在3.1～10.6 GHz范圍內(nèi)均大于10 dB，實(shí)測(cè)的S11在3.6～11.1 GHz范圍內(nèi)大于10 dB，這種差異可能是由加工精度以及SMA接頭的影響所致。實(shí)測(cè)的S21在3.6～8.9 GHz范圍內(nèi)小于1 dB，在8.9～11.1 GHz范圍內(nèi)小于2 dB。高頻段插入損耗的增加與SMA接頭以及微帶線的色散效應(yīng)有關(guān)。對(duì)稱耦合微帶線的引入導(dǎo)致S21的兩邊非常陡峭并且從13～20 GHz范圍插入損耗都大于20 dB。S22在整個(gè)通帶內(nèi)均大于7 dB而S32則大于6 dB，輸出端口之間的隔離度偏大可能是由于隔離電阻的高頻效應(yīng)引起的。

4 總結(jié)

本文提出了一種適用于超寬帶應(yīng)用、微帶結(jié)構(gòu)的小型化超寬帶功率分配器。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)稱耦合微帶線的引入不僅可以增加通帶內(nèi)的傳輸極點(diǎn)還可以在帶外引入傳輸零點(diǎn)。使用折疊微帶線可以進(jìn)一步減少結(jié)構(gòu)尺寸。本文提出的超寬帶功率分配器可望用于實(shí)際的超寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)，采用的分析方法對(duì)進(jìn)一步研究其它新型功率分配器以及濾波器其有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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LI Wei was born in Huainan，Anhui Province，in 1985.He received the B.S.degree from Jilin University in 2007.He is now a graduate student in Center for Microwave and RF Technologies，Shanghai Jiaotong University.His research concerns RF and microwave circuits.

Email：liwei－0308＠163.com

范海軍（1986－），男，江蘇南通人，2008年于電子科技大學(xué)應(yīng)用物理專業(yè)獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為上海交通大學(xué)射頻與微波技術(shù)研究中心碩士研究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)槲⒉o(wú)源器件小型化；

FAN Hai－jun was born in Nantong，Jiangsu Province，in 1986.He received the B.S.degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2007.He is now a graduate student in Center for Microwave and RF Technologies，Shanghai Jiaotong U-niversity.His research concerns microwave passive components.

Email：h.j.fan＠sjtu.edu.cn

周希朗（1952－），男，江蘇徐州人，教授、博士生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域?yàn)槲⒉ā⒑撩撞呻娐贰?/p>

ZHOU Xi-lang was born in Xuzhou，Jiangsu Province，in 1952.He is now a professor and also the Ph.D.supervisor.His research concerns microwave and millimeter-wave integrated circuits.

Email：xlzhou＠sjtu.edu.cn

A Novel Compact Ultra-wideband Power Divider

LI Wei，F(xiàn)AN Hai-jun，ZHOU Xi-lang
（Center for Microwave and RF Technologies，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China）

A novel compact ultra-wideband（UWB）power divider is proposed.The structure is formed by a short-circuited coupled microstrip lines section connected in parallel to a folded microstrip line segment at each output port.Based on equivalent transmission line model，design equations and guidelines of the proposed UWB power divider are given using even-and-odd-mode analysis.Then a prototype of this power divider is designed and fabricated on microstrip topology.The simulated and measured results show the insertion loss is less than 2 dB.The return loss for the input／output ports is better than 10 dB／7 dB whereas the isolation is better than 6 dB.The out of band rejection level is more than 20 dB from 13 GHz to 20 GHz.It also has a small size of 28 mm×32 mm.

power divider；ultra-wideband（UWB）；even-and odd-mode decomposition method；symmetric coupled microstrip lines

The National Program on Key Basic Research Project（973 Program）（No.2009CB320204）；The National Natural Science Foundation of China（No.60821062）

TN626

A

10.3969／j.issn.1001－893x.2011.02.020

李魏（1985－），男，安徽淮南人，2007年于吉林大學(xué)獲電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為上海交通大學(xué)射頻與微波技術(shù)研究中心碩士研究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)樯漕l、微波電路；

1001－893X（2011）02－0098－04

2010－11－12；

2010－12－15

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃（973計(jì)劃）項(xiàng)目（2009CB320204）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（60821062）