基于多節(jié)級聯(lián)的寬帶階梯阻抗型雙頻功分器

蔣帥+劉云+繆細洋

【摘要】 本文提出了一種新型的超寬帶階梯阻抗雙頻功分器的拓展帶寬的綜合方法。通過增加階梯阻抗雙頻功分器的級聯(lián)級數(shù)來拓展帶寬，即利用一對傳輸線及一個隔離電阻組成一個單元，將多個這樣的單元級聯(lián)來構(gòu)成多節(jié)的寬帶雙頻功分器。本文設(shè)計了二階和三階寬帶階梯阻抗雙頻功分器來進行驗證 ，通過驗證得到，采用多階級聯(lián)型的階梯阻抗雙頻功分器，其工作帶寬可以通過選取不同的設(shè)置參數(shù)來實現(xiàn)兩個頻率點處的工作帶寬同步增加。

【關(guān)鍵詞】 超寬帶 階梯阻抗 多節(jié)級聯(lián)

無線通信新標準和各種無線應(yīng)用技術(shù)在不斷的發(fā)展，為了降低成本，減小設(shè)備體積，多頻器件的研究已然成為一種需要，而功分器廣泛應(yīng)用于各種微波電路，其多頻化顯得尤為重要。近年來，雙頻功分器收到廣泛的應(yīng)用與研究，多種不同結(jié)構(gòu)的雙頻功分器已經(jīng)被研發(fā)出來。

最早由人提出了雙頻阻抗變換器，并基于此設(shè)計了一款雙頻等分功分器，但工作頻率比小，結(jié)構(gòu)尺寸大。2014年[1]提出利用兩節(jié)傳輸線替代四分之一波長線，并在隔離電阻的地方加載了一節(jié)傳輸線，來實現(xiàn)雙頻功分器，但是其可達到的頻率比在2-5之間。

最初文獻[2]提出了一個雙頻Wilkinson功分器，該雙頻功分器是由三段式階梯阻抗構(gòu)成，通過改進傳統(tǒng)的四分之一波長線，使其能夠工作于兩個獨立頻率點，但是該功分器兩個工作頻率點處的工作寬帶相對較窄，基于這個缺陷，本文提出了一種新型的超寬帶階梯阻抗雙頻功分器的拓展帶寬的綜合方法。本文將通過增加雙頻階梯阻抗功分器的級數(shù)來拓展帶寬，級數(shù)越多，帶寬越寬。多階級聯(lián)型的階梯阻抗功分器實現(xiàn)了帶寬可控性，同時，利用階梯型雙頻阻抗變換器來替換傳統(tǒng)的λ/4波長線，可以實現(xiàn)兩個頻率點處的工作帶寬同步增加。

一、寬帶階梯阻抗雙頻功分器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計思路

如圖1所示的是二寬頻階梯阻抗型功分器的結(jié)構(gòu)，利用一對傳輸線及一個隔離電阻組成一個單元，將多個這樣的單元級聯(lián)來構(gòu)成多節(jié)的寬帶階梯阻抗型功分器。

為了求得傳輸線特性阻抗和隔離電阻的參數(shù)值，以二階寬頻功分器為例來進行分析，其它階數(shù)情況下的求解過程類似。根據(jù)圖1結(jié)構(gòu)的對稱特性，通過奇偶模式分析法可以在很大程度上簡化求解過程，其奇偶模等效電路如圖2所示。

二、寬帶階梯阻抗雙頻功分器實驗驗證

在上述分析的基礎(chǔ)之上，基于[2]中設(shè)計1/5.2GHz的雙頻功分器，本文設(shè)計出了如圖1所示的基于二階和三階級聯(lián)結(jié)構(gòu)。本文實現(xiàn)第一工作頻帶上下邊緣頻率比分別為1.5的二階階梯阻抗型雙頻功分器和頻率比為3的三階階梯阻抗型功分器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)合公式（1-5）和文獻[6]計算參數(shù)。二階階梯阻抗型雙頻功分器的電參數(shù)：

通過電參數(shù)，本文利用ADS仿真得到如圖4所示。

結(jié)構(gòu)仿真的性能曲線如圖4所示，通過與文獻[2]中的回波損耗曲線S11、S22，插入損耗曲線S21和隔離曲線S32相比較，可知隨著階數(shù)N和邊緣頻率比f2 / f1的增大，兩個工作頻率點1GHz、5.2GHz附近的3dB帶寬在增加，20dB的回波損耗帶寬和隔離度帶寬均有增加。由此可見，采用多階級聯(lián)型的階梯阻抗功分器，其工作帶寬可以通過選取不同的設(shè)置參數(shù)來得到不同程度的增加，利用階梯型雙頻阻抗變換器來替換傳統(tǒng)的λ/4波長線，可以實現(xiàn)兩個頻率點處的工作帶寬同步增加。

參 考 文 獻

[1] Guoan Wu， Lingling Yang， Yinlei Zhou， Qinfen Xu. Wilkinson power divider design for dual-band applications. Electronics Letters， vol.50， no.14， pp.1003-1005， July 3. 2014.

[2] Miao X， Liu Y， Wan C. A Novel Dual-Band Power Divider Using Symmetric Stepped-Impedance Inverters[J]. Ieice Electron Express， 2015， 12（22）.

[3] Cohn Seymour B. Optimum Design of Stepped Transmission-Line Transformers. Microwave Theory and Techniques， IRE Transactions on， vol.3， no.3， pp.16-20， April 1955.

[4] Cohn S.B. A Class of Broadband Three-Port TEM-Mode Hybrids. Microwave Theory and Techniques， IEEE Transactions on， vol.16， no.2， pp.110-116， February 1968.