毫米波段的一分八路Wilkinson功分器設(shè)計(jì)

馬 瑩， 王云峰， 張海英

(1.中國科學(xué)院 微電子研究所 新一代通信射頻芯片技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029； 2.中國科學(xué)院 微電子研究所 健康電子研發(fā)中心，北京 100029； 3.中國科學(xué)院大學(xué) 微電子學(xué)院，北京 100049)

0 引 言

功率分配器簡稱功分器，基本功能是將輸入信號功率分成相等或不相等的幾路輸出。是一種多端口微波網(wǎng)絡(luò)，為無源器件，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代通信領(lǐng)域[1]。常見的功分器有微帶型、帶狀線型、波導(dǎo)型等[2]。微帶線型功分器常用于工程實(shí)踐，尤以其中的Wilkinson功分器使用廣泛[3]。毫米波微帶功分器具有體積小，帶寬較寬的優(yōu)點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)的Wilkinson功分器利用1/4波長傳輸線阻抗變換器實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，并采用弧形化及打孔處理增強(qiáng)匹配效果，得到了一種具有頻寬較寬，損耗小，體積小，隔離效果好的毫米波八路Wilkinson功分器[4]。

1 功分器基本原理

1.1 功分器技術(shù)參數(shù)

功分器的主要技術(shù)參數(shù)有功率損耗(包括插入損耗、分配損耗和反射損耗)、各端口的電壓駐波比、功率分配端口間的隔離度、功率容量和頻帶寬度等[5]。

在功分器中，電路元件所能承受的最大功率為核心指標(biāo)，一般由小到大為微帶線、帶狀線、空氣帶狀線、空氣同軸線[6]。本文采用了微帶傳輸線，輸出時(shí)功分器的功率分配對分配損耗產(chǎn)生影響，八路等功率分配器的分配損耗為-9 dB。傳輸線的介質(zhì)或?qū)w不理想會產(chǎn)生插入損耗，采用λ/4阻抗變換器可以起到補(bǔ)償效果。Wilkinson功分器的輸出端隔離電阻器相對于傳統(tǒng)功分器的優(yōu)勢是可以實(shí)現(xiàn)信號的隔離、匹配，對于提高隔離度有很好的效果。一個(gè)功分器的輸出端口之間應(yīng)該保證一定的隔離度。每個(gè)端口的電壓駐波比越小指標(biāo)也越好[2]。

1.2 微帶功分器結(jié)構(gòu)

主要采用非對稱性空氣填充和部分空氣填充。設(shè)計(jì)為八路等分功率，以一分二的微帶型功分器為例，結(jié)構(gòu)如圖1，帶有負(fù)載。當(dāng)信號從左側(cè)端口輸入時(shí)，功率從端口1和端口2輸出，當(dāng)匹配合適時(shí)，電阻器R上無電流，不吸收功率。若端口1或端口2稍有失配，即產(chǎn)生功率反射，被電阻器吸收。 對于等功率分配器，兩端口功率P1=P2，且由于輸入端到端口1與輸入端到端口2等長，所以，端口電壓V1=V2，由P=V2/Z,知Zin1=Zin2，Z為阻抗。為了使端口1與端口2隔離，則R=2Zo。由于終端負(fù)載一般采用50 Ω電阻器，由匹配網(wǎng)絡(luò)，從輸入端口看Zin=Zo=50 Ω，而Zin1Zin2=50 Ω(表示電阻并聯(lián))，且為等分，Zin1,Zin2的輸入阻抗應(yīng)為100 Ω，則由二者到輸出終端50 Ω需要通過阻抗變換來實(shí)現(xiàn)匹配[7]。

圖1 一分二功分器示意

1.3 階梯阻抗變換

圖2 λ/4阻抗變換

1.4 隔離原理

隔離處理能夠使輸出端口間匹配。通過輸出路與路間的阻抗匹配達(dá)到要求，采用奇偶模分析法達(dá)到隔離效果。

從圖3得出對輸出端加激勵(lì)與偶模激勵(lì)和奇模激勵(lì)之和等價(jià)。從圖4知輸入偶模激勵(lì)可使兩路相位相同，且無信號通過隔離電阻器。從圖5知輸入奇模激勵(lì)使得兩路反相，信號通過隔離電阻器。

圖3 激勵(lì)響應(yīng)

圖4 偶模電壓激勵(lì)等效

圖5 奇模電壓激勵(lì)等效電路

2 一分八路Wilkinson功分器設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)模型參量

當(dāng)厚度為0.5 mm，頻率35 GHz，基板材料的相對介電常數(shù)εr=2.2時(shí)，通過計(jì)算可得Z0處傳輸線寬為1.5 mm，在1/4波長傳輸線阻抗變換器處寬為0.8 mm,長度為1.58 mm。隔離電阻值設(shè)置為100 Ω。設(shè)計(jì)過程中，為增大帶寬，選用圓弧狀作為阻抗變換器。將計(jì)算出的尺寸在軟件中建模，通過仿真可以看出各個(gè)端口的駐波及隔離，插入損耗等參數(shù)。

2.2 一分二功分器設(shè)計(jì)

如圖6(a)，通過圓弧化及打孔設(shè)計(jì)，可以使得阻抗匹配效果更佳，圖6(b)圖中各端口參數(shù)曲線：S11在34.5～39 GHz范圍小于-20 dB，S12和S13基本重合，為-3 dB。一分二的功分器各參數(shù)可以很好地達(dá)到要求。

圖6 一分二功分器模型及S參數(shù)曲線

2.3 一分八功分器設(shè)計(jì)

將一分二功分器級聯(lián)后得到圖7，采用工字型方式級聯(lián)可避免常見八路功分器中從一端輸出路徑過長的弊端，由各端口S參數(shù)曲線可以看到在32～36 GHz范圍內(nèi)，S21～S91在-9～-9.5 dB之間，S11小于-15 dB。

圖7 一分八功分器模型及S參數(shù)曲線

在整個(gè)仿真過程中，通過對一分二功分器的設(shè)計(jì)，使其S11，S12，S13達(dá)到最好的狀態(tài)，模型級聯(lián)后，各參數(shù)表明插入損耗幾乎接近理想值。優(yōu)化分析后使得各個(gè)端口的駐波比，隔離度以及插入損耗等可以達(dá)到較理想狀態(tài)。此時(shí)設(shè)置在直通位置的寬度為1.45 mm，1/4波長傳輸線阻抗變換器線寬度為0.9 mm。

3 結(jié) 論

整體設(shè)計(jì)上，通過圓弧減少反射，并對尖銳地方打孔，對變量及弧的彎曲度不斷更正，將毫米波段的功分器設(shè)計(jì)的S11值降至-15 dB以下。通過采用優(yōu)化變量的方法用HFSS進(jìn)行仿真分析，在取定范圍內(nèi)選出最佳數(shù)值。模型中采用的圓弧方式，也可以在一定程度上擴(kuò)展帶寬，但在功分八路情況下仍有帶寬變窄現(xiàn)象。

本文采用工字型及弧度設(shè)計(jì)的方式在35 GHz頻率下設(shè)計(jì)一分八路Wilkinson功分器，所得S參數(shù)結(jié)果對于位于毫米波段的功分器研究具有較好的參考價(jià)值及應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn):

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[4] 吳文榮，余大海，裘祖榮,等.毫米器件半自動微裝配系統(tǒng)研制[J].傳感器與微系統(tǒng)，2013,32(1):83-90.

[5] 李明洋.HFSS電磁仿真設(shè)計(jì)應(yīng)用詳解[M].北京:人民郵電出版社,2010.

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