微帶線T型一分四功率分配器設(shè)計(jì)

盧慧

(商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南商丘,476100)

0 引言

功率分配器和組合器在微波放大器方面有著重要的作用。功率分配電路可以將輸入信號(hào)分成不同的自信號(hào)分量，而組合器可以將特定的相位與幅度特性的多個(gè)信號(hào)組合后輸出。隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，特別是移動(dòng)通信的全球移動(dòng)通信系統(tǒng)和個(gè)人通信系統(tǒng)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，需要功能更強(qiáng)大的更復(fù)雜的微波器件。對(duì)于一般的基帶部分往往需要將微波功率進(jìn)行一分二或者一分四。不同的應(yīng)用場(chǎng)景中，對(duì)于功率的分配比例，以及各接收端的隔離度會(huì)有不同的要求。功率分配器有很多種，最常用的是T型功率分配器和威爾金森功率分配器。傳統(tǒng)的威爾金森功率分配器僅以一個(gè)設(shè)計(jì)頻率及其所有奇數(shù)諧波工作。威爾金森功率分配器隨之頻率的升高，波長(zhǎng)與隔離電阻的尺寸相比擬，此時(shí)電阻的分布參數(shù)對(duì)于整個(gè)電路不能忽略。當(dāng)使用在大功率場(chǎng)景時(shí)，隔離電阻的功耗就會(huì)變大，整個(gè)電路的損耗就會(huì)變大，同時(shí)隔離電阻對(duì)應(yīng)的體積也會(huì)變大，對(duì)于對(duì)尺寸要求較高的場(chǎng)合，威爾金森功率分配器往往難以實(shí)現(xiàn)。而T型功率分配器可以克服上述的缺點(diǎn)，但是各個(gè)輸出端口之間的隔離度難以達(dá)到威爾金森功率分配器的程度。但對(duì)于輸出端口隔離度要求不是太高的情況下，T型功率分配器完全可以滿足設(shè)計(jì)要求。

在過去的幾年中，國(guó)外研究人員已經(jīng)設(shè)計(jì)出了單端至平衡功率分配器。由于它們沒有共同集成額外的帶通濾波功能，因此它們顯示出相對(duì)較窄的帶寬共模抑制以及較差的通帶選擇性和諧波抑制能力[1]–[3]。W.Feng 基于理想的180°相位逆變器的新型寬帶單端至差分模式功率分配器被構(gòu)想為實(shí)現(xiàn)更寬的頻帶共模抑制[4]。然而，缺點(diǎn)是缺乏直流隔離和同時(shí)帶通濾波功能，無法在更高效的電路中進(jìn)行多功能操作。

上述研究都是基于功率分配器在不同場(chǎng)合下的應(yīng)用，由此可見功率分配器是射頻及微波電路中非常重要的器件[5],[6]。本文主要研究基本的功率分配器設(shè)計(jì)過程。功率分配器的種類有很多，微帶線型的結(jié)構(gòu)成本更低[7]，在印制電路板中也更容易實(shí)現(xiàn)。同時(shí)基于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱，這里主要研究一分四型的功率分配器。

1 理論和設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)一款一分四功率分配器[8]。為了方便情況，要求使用微帶線設(shè)計(jì)，中心頻率2GHz?；宀牧蠟镕R4，相對(duì)介電系數(shù)4.4，損耗角正切值為0.02，厚度為0.8mm。四個(gè)輸出端口等幅同相輸出，各端口阻抗50 歐姆。輸入端口在中心頻率處反射系數(shù)小于-25dB。四個(gè)輸出端口彼此的隔離度由于-10dB。

本文的設(shè)計(jì)基本結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。圖中設(shè)計(jì)共有12段微帶線。L1 是輸入段傳輸線，實(shí)際主要用來接入SMA 接頭。L2 是四分之一傳輸線，用來完成輸入端口阻抗與四個(gè)輸出端口阻抗的匹配，此時(shí)L2 對(duì)應(yīng)的阻抗為25 歐姆。根據(jù)微帶線計(jì)算結(jié)果可得，L2 段的長(zhǎng)度和寬度分別為19.59mm 和4.15mm。L3 和L4 段等效于一分二的傳輸線，此兩段對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度為半波長(zhǎng)，其阻抗為25 歐姆。故而此兩段寬度和L2 一致，長(zhǎng)度為L(zhǎng)2的兩倍。剩下的L5～L12 八段微帶線對(duì)應(yīng)阻抗為50 歐姆，長(zhǎng)度為四分之一波長(zhǎng)。其長(zhǎng)度和寬度分別為19.59mm 和1.5mm。從圖中可以看出，一分四功率分配器結(jié)構(gòu)對(duì)稱，若端口1 接入50 歐姆信號(hào)源，其他端口都接入50 歐姆負(fù)載，各負(fù)載上會(huì)平均分配端口1 的信號(hào)能量。各個(gè)輸出端口到達(dá)輸入端口的信號(hào)路徑長(zhǎng)度一致，故而其各輸出端口獲得的相位一致。但輸出端口相互之間的距離以及輸出端相對(duì)于輸入端距離的不同，各個(gè)端口之間的隔離度會(huì)有所不同。

圖1 一分四功率分配器基本結(jié)構(gòu)圖

為了提高信號(hào)傳輸效率和減低損耗，需要在拐角地方進(jìn)行削角處理。在L5 和L6 的拐角地方，削角總長(zhǎng)度本文選擇1.8mm。同此拐角對(duì)稱的其他三個(gè)拐角也進(jìn)行相同的削角處理。由于L5 和L7 共同分擔(dān)了L3 的寬度。在L5 相對(duì)于L3 對(duì)應(yīng)的拐角處，其削角處理的長(zhǎng)度選擇L5 寬度的一半。同理L7和L3 之間的拐角也做相同的削角處理。和上述拐角對(duì)應(yīng)的兩外兩個(gè)拐角也做相同處理。最后是L3、L4 相對(duì)于L2 的拐角處的削角處理。L3 和L4 共同分擔(dān)了L2 的寬度。所以這兩處拐角的削角處理長(zhǎng)度選擇L3 或L4 寬度的一半。削角處理后的實(shí)際微帶線如圖2 所示。通過圖2 可以明顯看出削角處理的結(jié)果。削角處理的結(jié)果可以使信號(hào)更為平穩(wěn)，同時(shí)各端口的隔離性會(huì)更好。

圖2 一分四功率分配器實(shí)際尺寸

2 仿真及結(jié)果

根據(jù)上述微帶線的尺寸，在HFSS 中仿真，計(jì)算了1.5GHz到2.5GHz 的仿真結(jié)果。圖3 為端口1 的反射系數(shù)（S11）。根據(jù)圖3 的結(jié)果可以看出，在2.0GHz 到2.1GHz 之間，端口的反射系數(shù)優(yōu)于-25dB。說明在這個(gè)頻率范圍內(nèi)信號(hào)的反射能量低于1%，認(rèn)為幾乎不發(fā)生反射。也即當(dāng)輸入端口（Port1）接入50歐姆內(nèi)阻的信號(hào)源時(shí)，功率分配器可以獲得最大功率。

圖4 為各個(gè)輸出端口（Port2～Port5）相對(duì)于輸入端口（Port1）之間的插入損耗（S21，S31，S41，S51）。通過圖4 可以看出，在2.0GHz 到2.1GHz 之間，四個(gè)損耗值最大差值為0.5dB，誤差率（dB 值誤差率）小于7.5%。由此看出四個(gè)端口的輸出功率幾乎一致。雖然有些誤差，但是輸出功率的一致性很好，也即功率分配的比為1：1：1：1。各輸出端口到輸入端口的路徑距離一致，輸出功率的誤差主要來自于各個(gè)輸出端口與輸入端口之間的耦合系數(shù)不一致所帶來的。

圖5 為各個(gè)輸出端口（Port2～Port5）相對(duì)于輸入端口（Port1）之間的相移結(jié)果。通過它圖5 可以看出，在整個(gè)計(jì)算區(qū)域內(nèi)，四條相移曲線幾乎重合，也即四個(gè)端口獲得相同的相移。四個(gè)輸出端口之間沒有相對(duì)相移。不管是在2.0GHz 到2.1GHz 之間還是整個(gè)計(jì)算區(qū)間。各個(gè)端口的相移曲線近似線性，即各個(gè)端口的群相移恒定。當(dāng)輸入信號(hào)包含多頻率成分時(shí)，在輸出端不會(huì)因?yàn)槿合嘁贫a(chǎn)生信號(hào)畸變。由于信號(hào)相位只與信號(hào)傳輸距離有關(guān)，各個(gè)輸出端口到輸入端口的距離一致，故而在各個(gè)輸出端得到的相移是一致的，即輸出端口之間沒有相位差。

圖6 為四個(gè)輸出端口（Port2～Port5）之間的隔離度結(jié)果。通過圖6 可以看出隔離度的結(jié)果主要分為兩類，以圖2的Port1 為中線，在中線同一邊的兩個(gè)端口之間其隔離度要差些，中線兩邊的端口之間隔離度要好些。出現(xiàn)上述結(jié)果的原因主要是因?yàn)橥贿叺膬蓚€(gè)端口其物理尺寸更近一些，由分布參數(shù)得到的耦合性更高一些。同一類的隔離曲線幾乎重合，可以看出隔離的一致性很好。在2.0GHz 到2.1GHz 之間，各個(gè)輸出端口之間的隔離性都由于-11.4dB。

圖6 輸出端口相互之間的S 參數(shù)

3 總結(jié)

通過上述計(jì)算的結(jié)果可以看出，本文設(shè)計(jì)的微帶線T型功率分配器完全符合設(shè)計(jì)要求。輸入端和50 歐姆輸入信號(hào)可以很好的實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。四個(gè)輸出端的輸出功率幾乎一致，輸出相位也基本一致。四個(gè)輸出端相互之間滿足較高的隔離性。本文設(shè)計(jì)的功率分配器可以滿足相關(guān)的工程要求。

本文只設(shè)計(jì)了一分四功率分配器，同時(shí)四個(gè)輸出端口等幅同相輸出。在實(shí)際工程中，可能會(huì)需要非同相或非等幅的功率分配關(guān)系。在后續(xù)研究過程中，會(huì)進(jìn)行相關(guān)的研究。