一種新穎的雙頻不等分威爾金森功率分配器

欒前進　李靜　金山

摘 要： 給出了設(shè)計雙頻不等分威爾金森功分器的一種方法。該功率分配器在任意兩個頻點上實現(xiàn)任意功率分配比的同時，兼顧傳統(tǒng)功率分配器的各項特性。給出了該功率分配器的結(jié)構(gòu)以及各項設(shè)計參數(shù)的解析公式。仿真與實驗結(jié)果證明了本文設(shè)計方法的有效性。

關(guān)鍵詞： 功率分配器； 雙頻； 不等功分； S參數(shù)

中圖分類號： TN710?34 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）01?0140?04

Abstract： The design method of the unequal dual?frequency Wilkinson power distributor is offered in this paper. The power divider can attend to the characteristics of traditional power distributor while it achieve discretional power distribution ratio between two frequency points. The structure of this power divider and analytical formulas of the designed parameters are given in this paper. Simulation and experimental results demonstrate the effectiveness of this method.

Keywords： power divider； dual frequency； unequalpower division； S parameter

0 引 言

功率分配器是微波毫米波領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的無源器件之一。文獻[1]通過遺傳算法數(shù)值擬和得出了一種雙頻不等分功分器的設(shè)計方法，這是一種沒有明確解析公式但數(shù)值上近似的設(shè)計方法。本文將提供一種具有明確解析公式的雙頻不等分功分器設(shè)計方法，其理論基礎(chǔ)是Monzon的雙頻傳輸線理論[2]?；谶@一理論，文獻[1]提出了雙頻等分功分器的設(shè)計方法，該方法使用奇偶模理論進行分析，并不適用于不等分功分器的設(shè)計。本文所設(shè)計的功分器可以在任意兩個頻率點[f1]和[f2，]以任意的功率分配比工作。為了驗證設(shè)計的有效性，本文分別制作了以2[∶]1和1.5[∶]1的分配比工作在頻率為0.9 GHz和1.8 GHz的兩個功分器，以及以2[∶]1的分配比工作在頻率為0.915 GHz和2.45 GHz的功分器。

1 理論分析

傳統(tǒng)的Wilkinson不等分功率分配器工作在基頻[f1]和其奇次諧波處，因此在某些雙頻場合并不實用。應(yīng)用Monzon的雙頻傳輸線理論，將傳統(tǒng)Wilkinson功分器的每個[14]波長分支用兩段特性阻抗分別為[Z1]和[Z2，]長度均為[L]的雙頻傳輸線替換，即可得到雙頻不等分功率分配器。這種以任意功率分配比工作在任意兩個頻率的功率分配器的原理圖如圖1所示。

2 實驗驗證

設(shè)[Z0]為50 Ω，雙頻不等分Wilkinson功率分配器制作在介電常數(shù)為2.65，厚度為1 mm的介質(zhì)板上。第一個功率分配器設(shè)計為以2[∶]1的功率分配比工作在[f1=]0.915 GHz和[f2=]2.45 GHz處；第二個功率分配器設(shè)計為以2[∶]1的功率分配比工作在[f1=]0.9 GHz和[f2=]1.8 GHz處；第三個功率分配器設(shè)計為以1.5[∶]1的功率分配比工作在[f1=]0.9 GHz和[f2=]1.8 GHz處。相關(guān)模型經(jīng)由Ansoft HFSS仿真，并用Wiltron 37629A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對加工實物進行了測試。

首先計算第一個功率分配器的各項參數(shù)，當(dāng)[K=]2時，根據(jù)式（2）和（3），得[Zina=]150 Ω和[Zinb=]75 Ω，輸出端口分別匹配在[Zout2=]70.7 Ω和[Zout3=]35.3 Ω。由式（5）和（9）得每一段傳輸支節(jié)的長度[L=]30.04 mm。利用式（6）～（8），四段傳輸支節(jié)的特性阻抗[Z1，][Z2，][Z3，][Z4]分別為：[Z1=]107.56 Ω，[Z2=]98.6 Ω，[Z3=]53.74 Ω，[Z4=]49.26 Ω。根據(jù)式（4），兩端口間的平衡電阻[R=]106 Ω。圖2即為加工實物照片，基板面積為60 mm×77.9 mm。相關(guān)[S]參數(shù)的仿真與測量結(jié)果見圖3。

圖3說明仿真結(jié)果與實測數(shù)據(jù)非常接近，在0.915 GHz處功率分配比達到2[∶]1，在2.45 GHz處達到1.9[∶]1。實測[S21]在0.915 GHz處為-5.09 dB，在2.45 GHz處為-4.94 dB，實測[S31]在0.915 GHz處為-2.06 dB，在2.45 GHz處為-2.17 dB。實測的[S21]和[S31]比理想值-4.77 dB、-1.76 dB略高。這可能是因為特性阻抗[Z1]大于100 Ω，較高的特性阻抗導(dǎo)致微帶線過窄，進而引入了更高的插入損耗。輸入端口的回波損耗在0.915 GHz處為-20.8 dB，在2.45 GHz處為-26.6 dB。與此同時，輸出端口2和3之間實現(xiàn)了理想的隔離，在兩個頻點處均大于30 dB。實測曲線的峰值略微偏離0.915 GHz 和2.45 GHz，這是因為實驗中所用負載為[Z0，]而非[KZ0]和[Z0K。]

3 結(jié) 論

本文給出了雙頻不等分功率發(fā)配器的設(shè)計方法，實驗結(jié)果驗證了該方法的有效性。本文所設(shè)計的功分器可廣泛應(yīng)用在移動通信、射頻識別等領(lǐng)域，具有很好的應(yīng)用前景。

參考文獻

[1] MONZON Cesar. A small dual frequency transformer in two sections [J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques， 2003， 51（4）： 1157?1161.

[2] KAMPITAKI D G， HATZIGAIDAS A T， PAPASTERGIOU A I， et al. On the design of a dual?band unequal power divider useful for mobile communications [J]. Electrical Engineering， 2007， 89（6）： 443?450.

[3] ROSLONIEC S. Three?port hybrid power dividers terminated in complex frequency?dependent impedances [J]. IEEE Transactions on Microwave Theory Tech， 1996， 44， （8）： 1490?1493.

[4] ANTSOS D， CRIST R， SUKAMTO L. A novel Wilkinson power divider with predictable performance at K and Ka?band [J]. MTT?S International Microwave Symposium， 1994， 2： 908?910.

[5] NAGAI N， MAEKAWA E， ONO K. New n?way hybrid power dividers [J]. IEEE Transactions on Microwave Theory Tech， 1977， 25： 1008?1012.

[6] CHIU J C， LIN J M， WANG Y H. A novel planar three?way power Divider [J]. IEEE Microwave Wirel Components Letters， 2006， 16， （8）： 449?451.

[7] SIRISATHIT S， CHONGCHEAWCHAMNAN M， WORAPISHET A. Design and realisation of dual?band 3 dB power divider based on two?section transmission?line topology [J]. Electronics Letters， 2003， 39， （9）： 723?724.