一種新型雙頻Wilkinson 功分器的設(shè)計(jì)

周銀磊,吳國(guó)安

(華中科技大學(xué) 電子科學(xué)與技術(shù)系, 武漢430074)

1 引 言

功率分配器作為基礎(chǔ)的微波器件在微波和毫米波系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的Wilkinson 功分器只能工作在單一的頻點(diǎn)和其奇次諧波處[1]。隨著多頻通信系統(tǒng)的日益普及,頻率復(fù)用器件的研究成為熱點(diǎn)。近年來(lái),多種不同結(jié)構(gòu)的雙頻功分器陸續(xù)報(bào)道出來(lái)[2-6]。文獻(xiàn)[2]介紹了利用兩段傳輸線在任意兩個(gè)頻點(diǎn)實(shí)現(xiàn)阻抗變換的方法。文獻(xiàn)[3] 利用雙頻阻抗變換原理設(shè)計(jì)了一個(gè)雙頻功分器,但設(shè)計(jì)沒(méi)有考慮傳輸線相位匹配,端口隔離度比較差。文獻(xiàn)[4]通過(guò)在輸出端口增加電容和電感實(shí)現(xiàn)了相位匹配,但是分立元件的值均固定且精度較低,難以滿足實(shí)際設(shè)計(jì)的要求。文獻(xiàn)[5]通過(guò)在功分器輸入端增加開(kāi)路傳輸線較好地實(shí)現(xiàn)了輸出端口隔離,但是尺寸較大(開(kāi)路傳輸線長(zhǎng)度為1/2 波長(zhǎng)),限制了應(yīng)用。文獻(xiàn)[6]改進(jìn)了文獻(xiàn)[5] 提出的設(shè)計(jì),調(diào)整了輸出端口的位置,有效減小了器件尺寸。

本文提出了一種新的雙頻功分器,該功分器具有如下的特點(diǎn):分布參數(shù)結(jié)構(gòu)(隔離電阻除外);良好的傳輸和端口匹配隔離特性;可調(diào)整的版圖布局;整體結(jié)構(gòu)有利于減小寄生效應(yīng)。通過(guò)奇偶模分析方法,利用微波網(wǎng)絡(luò)理論推導(dǎo)電路參數(shù)的設(shè)計(jì)公式,然后利用微波仿真軟件對(duì)電路進(jìn)行仿真并制作了實(shí)物。仿真和實(shí)物測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了本文推導(dǎo)結(jié)果的正確性,同時(shí)表明功分器能夠很好地工作在設(shè)計(jì)的兩個(gè)頻段內(nèi)。

2 設(shè)計(jì)與理論分析

圖1 給出了雙頻功分器的原理圖,由微帶線和隔離電阻組成,其中Z1、Z2、Z 3為微帶線的特征阻抗,R 為隔離電阻, θ為電長(zhǎng)度。電路結(jié)構(gòu)是完全對(duì)稱(chēng)的,因此可以采用奇偶模分析方法來(lái)獲得具體的電路參數(shù)。

圖1 雙頻功分器原理圖Fig.1 Proposed dual-band power divider topology

2.1 偶模分析

偶模激勵(lì)條件下,其半邊等效電路如圖2(a)所示,ABCD 矩陣可以表示為

為了滿足阻抗變換,Port2 的阻抗Z 0必須變換到Port1 的阻抗2Z0,故從Port1 看進(jìn)去的輸入阻抗Z in可由下式表示:

根據(jù)式(1)、(2),通過(guò)代數(shù)運(yùn)算,可得Z 1、Z 2、Z3、θ滿足以下關(guān)系:

圖2 功分器半邊等效電路Fig.2 Half-circuit of power divider

2.2 奇模分析

奇模激勵(lì)條件下,其等效半邊電路如圖2(b)所示,其阻抗ZA、ZB 、Z C可由以下3 個(gè)公式表示:

為了滿足阻抗匹配,ZB 、ZC必須滿足以下等式:

經(jīng)過(guò)改寫(xiě),可得

2.3 雙頻分析

假定功分器的工作頻率分別為f 1和f2(其中f 2>f1),f2=Kf1(K 為中心頻率比值)。為了滿足雙頻工作的需要,以上推導(dǎo)公式應(yīng)該在給定的兩個(gè)頻率同時(shí)成立。只需取即可滿足tan2θf(wàn)1=tan2θf(wàn)2。這樣在兩個(gè)中心頻率點(diǎn),推導(dǎo)公式(3)、(4)、(9)、(10)同時(shí)成立,滿足雙頻工作的要求。

聯(lián)立式(3)、(4)、(9)、(10),根據(jù)給定工作頻率比值K ,求解非線性方程組,可以求出電路參數(shù)Z1、Z 2、Z 3、R 。圖3 顯示了Z 1、Z 2、Z 3、R 與不同頻率比值K 之間的變化關(guān)系(其中Z1、Z2、Z3、R 均為歸一化阻抗)。由圖3可知,在比較寬的頻率比值范圍內(nèi)(2.2 ～5.0),雙頻功分器都能用切合實(shí)際的微帶線和隔離電阻實(shí)現(xiàn)。

圖3 特征阻抗與頻率比值K 之間的關(guān)系Fig.3 Characteristic impedances(normalized)against K

3 仿真與實(shí)物測(cè)試

為了驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)方法,設(shè)計(jì)制作了一個(gè)工作頻率為1 GHz和2.6 GHz的雙頻功分器,實(shí)物如圖4所示,其中基板為T(mén)LY-5(介電常數(shù)εr=2.2, 基板厚度H=0.78 mm, 銅箔厚度T=35 μm),所有的端口阻抗為50 Ψ。通過(guò)求解非線性方程組(3)、(4)、(9)、(10),可得Z 1 =36.45 Ψ, Z 2 =58.60 Ψ, Z 3 =50.30 Ψ,R=104.75 Ψ,1 GHz對(duì)應(yīng)的電長(zhǎng)度為θf(wàn)1=通過(guò)微波仿真軟件的微帶線計(jì)算工具,可以得到各段微帶線的寬度和長(zhǎng)度。利用微波仿真軟件仿真和實(shí)測(cè)(矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Advantest R3767CG 測(cè)試)得到的結(jié)果如圖5 所示。實(shí)測(cè)結(jié)果表明,中心頻率點(diǎn)插入損耗S 21 小于3.3 dB,各端口的回波損耗S11、S 22 均大于21 dB,端口隔離度S23大于28 dB。綜合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),本次設(shè)計(jì)的功分器在中心頻率100 MHz帶寬內(nèi)滿足插入損耗小于3.5 dB,端口隔離和回波損耗大于14 dB,顯示了良好的性能。測(cè)試結(jié)果與文獻(xiàn)[5]相比,插入損耗和回波損耗性能指標(biāo)相近,端口隔離度更優(yōu),并且本次設(shè)計(jì)仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果吻合好,容差小,更能指導(dǎo)設(shè)計(jì)工作。

圖4 1 GHz/2.6 GHz 雙頻功分器實(shí)物圖Fig.4 Photo of fabricated power divider operating at 1 GHz and 2.6 GHz

圖5 雙頻功分器S 參數(shù)仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果Fig.5 Simulation and measurement results of S -parameters for proposed dual-band power divider

4 結(jié) 論

本文介紹了一種新的雙頻功分器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法,通過(guò)電路模型仿真和實(shí)物測(cè)試驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的可行性。設(shè)計(jì)的功分器具有良好的信號(hào)傳輸、端口匹配和隔離特性,并且采用平面微帶結(jié)構(gòu),具有設(shè)計(jì)精確靈活的特點(diǎn)。通過(guò)調(diào)整版圖設(shè)計(jì),可以有效地減小器件體積,廣泛地應(yīng)用到各種射頻電路中。

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