一種28 GHz功分器的設(shè)計(jì)

任 建* 郭國(guó)發(fā) 趙 冰 鄭艷娜

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870）

1 概述

隨著5G毫米通信技術(shù)的發(fā)展，一種高性能的功率分配器變得至關(guān)重要，該器件不僅要有高帶寬、低功耗以及指數(shù)更大的隔離參數(shù)，還需在幅頻特性和相頻特性方面有良好的性能。所以一個(gè)高帶寬和低功耗的功率分配器變得非常重要。

本文采用微帶線(xiàn)設(shè)計(jì)了一款能夠工作在28 GHz的兩路威爾金森功率分配器，帶寬范圍為27-29 GHz。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)功率分配器的研究取得了很好的進(jìn)展。L.Guo，J.Li等人于2019年提出了一種合成器結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由三級(jí)合成器結(jié)構(gòu)相互連接而成，最終形成一款八路的功率合成器[1]，此結(jié)構(gòu)隔離度足夠高，便于器件的集成。楊晶晶等人同樣利用多節(jié)功分器的連接設(shè)計(jì)了一款擁有6 GHz帶寬的威爾金森功分器[2]。2020年有國(guó)外學(xué)者提出，給威爾金森功分器加以改良，利用耦合器將隔離電阻轉(zhuǎn)換類(lèi)型，由于電路的寄生電阻問(wèn)題，可以達(dá)到一個(gè)較高的隔離效果。2021年，Salman Maaz等人提出來(lái)了一種對(duì)Wilkinson功分器的改良版，該款功分器運(yùn)用微帶線(xiàn)結(jié)構(gòu)[3]。根據(jù)電路模型對(duì)缺陷接地結(jié)構(gòu)進(jìn)行等效設(shè)計(jì)，使用集總元件搭建可以得到其等效電路。Jamshidi Mohammad Behdad等人提出了一種可以降低威爾金森功分器面積的改進(jìn)方法[4]，該設(shè)計(jì)方案將四分之一波長(zhǎng)的傳輸線(xiàn)替換成了串聯(lián)的LC調(diào)諧電路，從而達(dá)到了改進(jìn)。

2 分配合成器參數(shù)指標(biāo)

微波射頻領(lǐng)域發(fā)展到如今，用于評(píng)價(jià)各類(lèi)微波和功率器件的標(biāo)椎已經(jīng)被制定出，其中功率分配合成器的主要性能的參數(shù)指標(biāo)如下：

工作頻帶：也稱(chēng)為工作帶寬，用來(lái)表示器件能夠正常實(shí)現(xiàn)功能的頻率范圍，一般指能正常工作的最低頻點(diǎn)至最高頻點(diǎn)的范圍。有時(shí)也會(huì)用相對(duì)帶寬來(lái)表示，即最高頻率與最低頻率的差和中心頻率的比值。

輸入端口的回波損耗：在信號(hào)通過(guò)輸入端口時(shí)會(huì)有一小部分能量被反射回去，而回波損耗就是輸入端口的反射功率Pa與總輸入功率Pi的比值來(lái)描述，有時(shí)也會(huì)用散射系數(shù)S11來(lái)表示，具體的計(jì)算公式為：

輸出端口的隔離度：在通信系統(tǒng)中一般都要保證輸出端口要有足夠的隔離度，隔離度是指端口之間在信號(hào)傳輸時(shí)的相互干擾的劇烈程度，干擾越大隔離度越小。如果器件的隔離度不夠高，輸出信號(hào)會(huì)有很大的干擾而導(dǎo)致失真，要是在電路中運(yùn)用多個(gè)器件，一個(gè)出問(wèn)題可能就會(huì)導(dǎo)致整體電路的功能失靈。隔離度一般使用兩個(gè)支路的輸出功率Pb，Pc之比來(lái)表示，有時(shí)也用散射系數(shù)S23來(lái)描述，其具體的計(jì)算公式為：

插入損耗：一般情況下，功率信號(hào)經(jīng)過(guò)功率器件作用后，由于器件本身材料和結(jié)構(gòu)的不理想性，制作過(guò)程不可避免的失誤以及信號(hào)可能存在的輻射現(xiàn)象，使得最終信號(hào)產(chǎn)生一定量的損耗，這叫做插入損耗，簡(jiǎn)稱(chēng)插耗。通常使用兩個(gè)輸出端的輸出功率和輸入功率之比計(jì)算，還可以使用散射系數(shù)S21，S31進(jìn)行計(jì)算，具體的公式為：

3 威爾金森功分器的設(shè)計(jì)

3.1 功分器電路圖的設(shè)計(jì)

本文ADS軟件對(duì)所的設(shè)計(jì)威爾金森功分器并進(jìn)行優(yōu)化和仿真。調(diào)用MSUB對(duì)微帶線(xiàn)基板厚度H、相對(duì)介電常數(shù)Er和損耗角正切Tan D的參數(shù)設(shè)計(jì)，然后計(jì)算28 GHz傳輸線(xiàn)的尺寸。

如圖1所示，為工作在28GHz威爾金森功分器的電路圖，通過(guò)計(jì)算，在E_Eff處設(shè)置90度，一般取值70.7 Ω，其中微帶線(xiàn)TL2、TL3、Tee1、Curve1和Curve2再加上TL4、TL5、TL6、TL7、Tee2、Tee3、Curve3和Curve4的長(zhǎng)度根據(jù)阻抗變換后確定的長(zhǎng)度，而輸入和輸出部分均不需要考慮阻抗變換的問(wèn)題，長(zhǎng)度上選取合適的值即可，R0為新加的隔離電阻。

圖1 威爾金森功分器電路圖

3.2 仿真及優(yōu)化

電路的原理圖搭建完成后，選擇VAR控件，將新計(jì)算出的參數(shù)代入電路原理圖，輸入和輸出端口的傳輸線(xiàn)寬度為0.728 mm，四分之一傳輸線(xiàn)的長(zhǎng)度應(yīng)為1.99 mm，但被分為多端和實(shí)際工藝的誤差，所以總的長(zhǎng)度與實(shí)際值有所差異，弧形傳輸線(xiàn)的半徑為0.214 mm，TL2、TL4、TL6的長(zhǎng)度分別為0.67 mm、0.551 mm和0.1 mm，其寬度為0.284 mm，調(diào)試過(guò)后確定的隔離電阻值為128Ω。

對(duì)S參數(shù)進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖2所示。S21和S31仿真結(jié)果為-3.14 dB，如圖3所示，S22和S33仿真結(jié)果為-38 dB。仿真都達(dá)到了較好的結(jié)果。

圖2 S21和S31的仿真圖

圖3 S22和S33的仿真圖

3.3 版圖及后仿真

設(shè)計(jì)所生成的版圖如圖4所示，其中紫色部分為隔離電阻，藍(lán)色部分為微帶線(xiàn)。

圖4 威爾金森功分器版圖

在經(jīng)過(guò)優(yōu)化后對(duì)版圖進(jìn)行EM仿真，其結(jié)果如圖5所示，S21和S31仿真結(jié)果為-3.24 dB，如圖6所示，S22和S33仿真結(jié)果為-27.8 dB，與前仿真結(jié)果大致滿(mǎn)足，誤差在允許范圍內(nèi)。

圖5 S21和S31的仿真圖

圖6 S22和S33的仿真圖

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)的功分器的仿真結(jié)果表明：27GHz到29GHz之間的插入損耗小于3.3 dB，在相同頻域內(nèi)它輸入端和輸出端的回波損耗分別大于22dB和25dB，而隔離度也能達(dá)到載頻域內(nèi)高于30dB的水平。