一種多層一分四不等分寬帶功率分配器設(shè)計

童滎贇，姬五勝，張志悅，戴 薇

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學天線與微波技術(shù)研究所，天津 300222；2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學電子工程學院，天津 300222）

功率分配器（簡稱功分器）是一種重要的無源電路，常用于混頻器、功率放大電路、大規(guī)模MIMO 陣列天線以及相控陣雷達天線等各種微波射頻器件的設(shè)計，在系統(tǒng)中起到將信號功率再分配或重新組合的功能[1-2]。近年來，隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，為適應(yīng)無線通信系統(tǒng)多元化的發(fā)展需求，多層化、小型化以及寬帶化已成為現(xiàn)代功分器發(fā)展的必然趨勢，但傳統(tǒng)的微波電路設(shè)計方法已經(jīng)難以滿足這些發(fā)展需求。2002年，美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）首次規(guī)劃批準使用頻段3.1～10.6 GHz，超寬帶微波器件的設(shè)計成為了行業(yè)內(nèi)的研究熱點[3]。不對稱槽線對于多層微波電路的設(shè)計與集成具有很好的優(yōu)勢[4-5]。文獻[5]分析了不對稱槽線的電磁場分布規(guī)律和相關(guān)電路特性，設(shè)計了基于不對稱槽線的復(fù)合環(huán)、不對稱槽線-微帶過渡結(jié)構(gòu)、支線定向耦合器、平衡功率分配器、多層濾波器、多信道功率分配器等微波器件。在此基礎(chǔ)上，文獻[6]設(shè)計了一款彎曲T 型微帶互連結(jié)構(gòu)，多層之間互連的應(yīng)用頻率能夠達到80 GHz。文獻[7]利用文獻[6]提出的彎曲T 型毫米波互連結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一款多層一分二毫米波功率分配器，工作于24.5～27.5 GHz 頻段，具有良好的毫米波電路特性，由于采用了多層設(shè)計方案，該功率分配器電路的整體尺寸得以減小。

本文基于文獻[4-7]的設(shè)計理論和分析方法，設(shè)計了一款具有彎曲T 型結(jié)構(gòu)的多層一分四不等分功率分配器。通過將2 個彎曲T 型基本耦合結(jié)構(gòu)背向級聯(lián)，構(gòu)建了過渡效果更好的層間耦合結(jié)構(gòu)，同時增加電路耦合層數(shù)，使得信號在介質(zhì)層間多次耦合功分，實現(xiàn)一分四不等分的功率分配效果，具有良好的電路性能；與文獻[7]提出的毫米波功率分配器不同，本文設(shè)計的電路可工作于2.8～7.5 GHz 頻段，絕對帶寬為4.7 GHz，分數(shù)帶寬達到了91.3%；由于工作頻段包含了 3.3～3.6 GHz 和 4.8～5.0 GHz，該功分器在 5G 通信低頻段有良好的應(yīng)用前景，說明不對稱槽線設(shè)計理論同樣適用于低頻段微波器件的設(shè)計，對多層、小型化、高性能、寬帶微波電路設(shè)計提供了思路。

1 電路設(shè)計

1.1 電路結(jié)構(gòu)設(shè)計

文獻[6]設(shè)計了一款彎曲T 型毫米波微帶互連結(jié)構(gòu)，彎曲T 型結(jié)構(gòu)兩側(cè)的2 個凹形槽長度對應(yīng)于中心頻率處電路1/4 波導波長，凹形槽的作用是為了消除不對稱槽線帶來的橫向H 波的影響，提高信號在不同層之間平滑過渡的效率。這一特性也在彎曲T 型毫米波功分器[7]的設(shè)計中得到應(yīng)用。本文將2 個彎曲T 型基本耦合結(jié)構(gòu)背向級聯(lián)，且電路的耦合區(qū)域增加為4個，由此設(shè)計了一種改進的帶狀線-微帶線三層過渡結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 改進的帶狀線-微帶線三層過渡結(jié)構(gòu)

圖1中：w1為中間層輸入帶狀線寬度；w2為耦合過渡后上層和下層的微帶寬度；w3為中間層2 個彎曲T 型結(jié)構(gòu)背向連接的微帶寬度；w4為上下層輸出端微帶線寬度。此外，整體電路長度為L，2 個介質(zhì)基板的厚度分別為H1和H2，整體寬度W 滿足W=4R1+w1，其中，R1為與輸入端帶狀線相連的T 型結(jié)構(gòu)的槽孔半徑；同樣地，R2、R3、R4、R5和 R6均為對應(yīng) T 型結(jié)構(gòu)的槽孔半徑，同與其相連的帶狀線或微帶線之間滿足與R1和w1一樣的參數(shù)關(guān)系。

從圖1可知，信號沿中間層帶狀線輸入，經(jīng)過彎曲T 型結(jié)構(gòu)后通過層間耦合方式平滑過渡到上下層微帶線，同時還具有功率分配特性。在彎曲T 型結(jié)構(gòu)中，減去的半圓槽孔的直徑對應(yīng)于電路中心頻率下的1/4 波導波長，改變該值大小可以調(diào)整電路的工作頻段[7]。此外，由于信號的傳輸和耦合過渡發(fā)生在介質(zhì)層內(nèi)部，較之傳統(tǒng)的平面電路過渡耦合結(jié)構(gòu)更加容易獲得緊耦合特性，易于實現(xiàn)寬帶乃至超寬帶特性[8-11]。

為增加功率分配器輸出端口的數(shù)量，可以將改進的帶狀線-微帶線三層過渡結(jié)構(gòu)擴展到更多層，本文設(shè)計的一種多層一分四不等分寬帶特性功率分配器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 多層一分四不等分寬帶功率分配器

該功率分配器電路為一種包含6層介質(zhì)和7層金屬邊界的多層結(jié)構(gòu)，包含一個輸入端口Port1，4個輸出端口Port2、Port3、Port4和Port5。7層金屬邊界分別為中間帶狀線輸入層1、中間帶狀線輸出層2和5、中間帶狀線過渡層3和6以及頂層和底層微帶線輸出層4和7，電路關(guān)于帶狀線輸入層1上下對稱，層2、3、4分別與層5、6、7相對應(yīng)。電路以帶狀線作為功率分配器的輸入端（Port1），而輸出端則采用了2種傳輸線，分別是中間層帶狀線（Port2和Port3）與頂層和底層的微帶線（Port4和Port5）。中間層帶狀線（層1、2、3、5和6）在過渡耦合區(qū)域采用將2個彎曲T型基本耦合結(jié)構(gòu)背向級聯(lián)實現(xiàn)電磁能量在層間平滑過渡；頂層4和底層7的耦合區(qū)域為基本的彎曲T型耦合結(jié)構(gòu)，其末端直接與微帶線帶條相連，作為功分器電路的其中2個輸出端。在層間耦合過渡的同時，中間層同層的2個耦合區(qū)域通過帶狀線相連，可以實現(xiàn)電磁信號在同層直接傳輸。

1.2 等效電路與功率分配特性分析

將該多層一分四不等分寬帶功率分配器電路看做一個五端口網(wǎng)絡(luò)，相鄰層之間通過彎曲T型的耦合過渡結(jié)構(gòu)可以等效為一個變壓器，其等效電路模型如圖3所示[12-15]。

圖3 功率分配器等效電路模型

圖3中，n1、n2、…、n10分別為等效后對應(yīng)的變壓器匝數(shù)；i1、i2、…、i10分別為各子電路的的傳輸電流；Z1為輸入端帶狀線阻抗；Z2、Z3、Z4、Z5和Z6分別對應(yīng)電路內(nèi)部背向級聯(lián)彎曲T型結(jié)構(gòu)的傳輸線阻抗；Z7、Z8、Z9和Z10分別為輸出端阻抗。信號沿輸入端通過不同的耦合路徑平滑過渡到各輸出端，每個輸出端與輸入端電流關(guān)系可由其對應(yīng)耦合路徑上變壓器匝數(shù)來表示，其表達式為：

在電路結(jié)構(gòu)中，輸出端口2和3，4和5分別對稱，若n1=1，n2=n3=…=n10=n，輸入輸出端電流關(guān)系式（1）～（4）還可進一步簡化為：

輸入輸出端應(yīng)滿足阻抗匹配條件，因此各端口阻抗Z1=Z7=Z8=Z9=Z10，且均為標準的50Ω，根據(jù)電流和功率的關(guān)系式P=i2Z，可知P7=P10，P8=P9，且P7＜P9，即Port4和Port5的輸出功率相同，Port2和Port3的輸出功率相同，且Port4和Port5的輸出功率小于Port2和Port3的輸出功率；電路實現(xiàn)了一分四不等分功率分配。

1.3 功率分配器電路參數(shù)設(shè)計

多層一分四不等分寬帶功率分配器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 多層一分四不等分寬帶功率分配器結(jié)構(gòu)

從圖4可知，圖4（a）為該功分器電路的側(cè)視圖，整個電路可以分成4個耦合區(qū)域，對應(yīng)長度分別為l1、l2、l3和l4，則電路整體長度為l=l1+l2+l3+l4；細實線是帶狀線或微帶線，粗實線為有限寬度導體帶狀線或微帶線，虛線處沒有金屬導體覆蓋。電路采用介電常數(shù)εr=3.55的Rogers4003C介質(zhì)基板，其損耗正切角為δ=0.0029，6層介質(zhì)基板的厚度均為h，為保證輸入端和輸出端阻抗均為標準的50Ω，取輸入端帶狀線寬度為w1，中間層輸出端帶狀線寬度為w4，頂層（或底層）輸出端微帶線寬度為w5；中間輸入層長度為l1的耦合區(qū)域內(nèi)左側(cè)槽孔半徑為r1，則電路整體寬度為w=2×r1+w1，因此r3=r5=（w-w3）/4，且電路中其他槽孔半徑和與之相連的帶狀線（或微帶線）的寬度也有同樣的參數(shù)關(guān)系；電路參數(shù)的具體數(shù)值為：r1=r6=3mm，w1=w4=0.6mm，l1=l2=l3=l4=8mm，l=32mm，w=12.6mm，h=0.508mm，r2=r3=r4=r5=3.075mm，r7=2.855mm，w2=w3=0.3mm，w5=1.18mm。

2 仿真結(jié)果與電路特性分析

2.1 功率分配器電路仿真結(jié)果

利用三維電磁仿真軟件HFSS對本文設(shè)計的多層一分四不等分寬帶功率分配器電路進行了建模仿真[16]，輸入端回波損耗和各輸出端到輸入端的插入損耗的仿真結(jié)果如圖5所示，各輸出端口間的隔離度仿真結(jié)果如圖6所示。

圖5 回波損耗和各輸出端到輸入端的插入損耗仿真結(jié)果

圖6 各輸出端口間的隔離度仿真結(jié)果

從圖5可知，該功率分配器的工作頻段為2.8～7.5 GHz，分數(shù)帶寬達到了91.3%，輸入端Port1 的回波損耗S11優(yōu)于-10 dB，并在3.65 GHz 左右達到-19.9 dB 以下，在 6.0 GHZ 左右優(yōu)于-16.5 dB；輸出端Port2 和 Port3 到輸入端 Port1 的插入損耗 S21和 S31基本一致，均優(yōu)于-6.4 dB，輸出端 Port4 和 Port5 到輸入端Port1 的插入損耗S41和S51也基本相同，均優(yōu)于-11.3 dB。

從圖6可知，在工作頻段內(nèi)，各輸出端口Port2、Port3、Port4 和 Port5 之間，隔離度 S23優(yōu)于-11 dB、S24優(yōu)于-9 dB、S25優(yōu)于-15 dB，S45優(yōu)于-22 dB。其中，在4.15～7.5 GHz 頻段內(nèi)，全部隔離度參數(shù)均優(yōu)于-11 dB，S45甚至在 3.78 GHz 處可達到最優(yōu)，隔離度S45為-41.3 dB，由此可以說明各輸出端口間具有良好的隔離性能。

2.2 功率分配器電路不等分原理分析

從圖5可知，2 組輸出端到輸入端的插入損耗不相同，該功率分配器電路實現(xiàn)了一分四不等分的功率分配特性，這是因為頂層和底層微帶線輸出層4 和7是通過帶狀線過渡層3 和6 與中間帶狀線輸出層2和5 經(jīng)過二次層間耦合功分所致，若保持各個電路輸入輸出端口的阻抗為標準的50 Ω，且每一層介質(zhì)基板厚度一致，電路關(guān)于帶狀線輸入層1 上下對稱，故S21=S31，S41=S51，且 S41和 S51劣于 S21和 S31，這與通過式（1）～（6）所得到的結(jié)論完全一致。本研究設(shè)計的功分器與文獻[7]的性能比較如表1所示。

表1 本文設(shè)計的功分器與文獻[7]的性能比較

由表1知，本文功率分配器的輸出端口數(shù)量為4個，而文獻[7]僅為一分二功率分配器；本文功率分配器的回波損耗和插入損耗同文獻[7]相比稍差，但隔離度方面優(yōu)于文獻[7]；在電路尺寸方面，本文功率分配器包含6 層電介質(zhì)和7 層金屬邊界，而文獻[7]僅包含2 層電介質(zhì)，二者相比較，本文功率分配器尺寸稍大；在電路的工作頻帶方面，本文工作于2.8～7.5 GHz，包含5 G 低頻段部分，分數(shù)帶寬達到了91.3%，而文獻[7]工作于24.5～25.5 GHz，屬于5 G 高頻段毫米波領(lǐng)域，分數(shù)帶寬為4%。本文所設(shè)計的基于彎曲T 型多層功率分配器不僅實現(xiàn)了信號在微波集成電路不同層間的信號傳輸，還實現(xiàn)了一分四不等分功率分配功能，這表明基于不對稱槽線理論彎曲T 型功分器具有靈活的設(shè)計自由度。

3 結(jié) 語

本文設(shè)計了一種多層一分四不等分寬帶功率分配器，包含6 層介質(zhì)和7 層金屬邊界。仿真結(jié)果表明：該功分器的工作頻段為2.8～7.5 GHz，分數(shù)帶寬達到了91.3%，且具有良好的功分性能，解決了傳統(tǒng)Wilkinson功分器因引入集總的隔離電阻導致電路尺寸過大、需要考慮分布參數(shù)影響等技術(shù)缺陷問題。本文在設(shè)計中將2 個彎曲T 型基本耦合結(jié)構(gòu)背向級聯(lián)構(gòu)建過渡效果更好，結(jié)構(gòu)更加簡單且具有緊耦合特性的層間耦合結(jié)構(gòu)，具有良好的設(shè)計靈活性。