基于諧振器慢波傳輸線的小型化寬阻帶諧波抑制功分器

黃 文 李 靚 董金生 譚 菲 任 儀

①(重慶郵電大學(xué)光電工程學(xué)院 重慶 400065)

②(電子科技大學(xué)長(zhǎng)三角研究院(湖州) 湖州 313000)

1 引言

功分器是無(wú)線通信領(lǐng)域中一種重要的無(wú)源器件，Wilkinson功分器由于其具有輸出端口均匹配、損耗低、隔離度高等優(yōu)點(diǎn)更是被廣泛應(yīng)用于射頻微波系統(tǒng)中[1—3]。目前，如何使功分器通帶內(nèi)性能良好的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)其尺寸的減小和諧波抑制性能成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)[4,5]。文獻(xiàn)[6]提出了一種利用微帶階梯阻抗諧振器的雙頻濾波Wilkinson功分器，盡管實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)頻點(diǎn)之間的適當(dāng)隔離和良好的小型化效果，但是通帶內(nèi)最小插入損耗高達(dá)1.4 dB，且高階諧波的抑制水平較差。文獻(xiàn)[7,8]分別使用高低阻抗線和開(kāi)路支節(jié)線來(lái)設(shè)計(jì)低通濾波器，然后使用該低通濾波器代替Wilkinson功分器中的1/4波長(zhǎng)傳輸線，使功分器有著較寬的阻帶帶寬，但是對(duì)2次諧波附近的雜波抑制水平較差。因?yàn)橄噍^于等阻抗耦合線，不等阻抗耦合線可以產(chǎn)生更多的傳輸零點(diǎn)，因此文獻(xiàn)[9]使用兩段不等阻抗的耦合線級(jí)聯(lián)替代傳統(tǒng)Wilkinson功分器中的1/4波長(zhǎng)微帶傳輸線，設(shè)計(jì)了一款具有寬阻帶諧波抑制效果的功分器，兩段不等阻抗的耦合線拓展了功分器的阻帶寬度，但二者之間的耦合導(dǎo)致其在3.5倍和9倍中心頻率處抑制效果較差。文獻(xiàn)[10]提出了一種基于開(kāi)路支線和耦合線的小型化Wilkinson功分器，開(kāi)路支節(jié)線的加載為該功分器提供了3個(gè)傳輸零點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了超寬阻帶，不過(guò)多個(gè)支節(jié)線的加載也導(dǎo)致了該功分器小型化效果較差。

針對(duì)上述情況，本文提出一種基于加載諧振器慢波傳輸線的小型化寬阻帶諧波抑制功分器。與傳統(tǒng)的微帶Wilkinson功分器相比，所設(shè)計(jì)的功分器尺寸縮減了62.6%，且在2.2～11.05 GHz的頻帶范圍內(nèi)有著良好的阻帶抑制效果，可以很好地抑制諧波。該功分器通帶性能良好，通帶內(nèi)插入損耗小于3.65 dB，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。

2 諧振器慢波傳輸線分析與設(shè)計(jì)

2.1 諧振器慢波傳輸線理論分析

所提諧振器慢波傳輸線及其等效電路如圖1(a)和圖1(b)所示，端口處的細(xì)傳輸線可以等效為電感Ls1與對(duì)地的寄生電容Cs1，蛇形線等效為電感Ls2和對(duì)地寄生電容Cs2,Cs3，水平細(xì)傳輸線等效為電感Ls3和寄生電容Cs4。矩形諧振器和其連接線，可等效為電感Lr1和對(duì)地并聯(lián)電容Cr1，其中電感Lr1為矩形諧振器的等效電感和連接線的等效電感共同作用形成。T型諧振器和其連接線可以等效為并聯(lián)電容Cr2和串聯(lián)電感Lr2，其中電感Lr2為矩形諧振器的等效電感和連接線的等效電感共同作用形成。蛇形線和端口處細(xì)傳輸線之間的耦合作用可以等效為電容Ch，為了分析簡(jiǎn)便，等效電路中令蛇形線等效電感Ls2和端口處細(xì)傳輸線等效電感Ls1各1/2處連接耦合電容Ch。而其他的傳輸線間耦合由于對(duì)傳輸性能影響較小可忽略。另外，對(duì)地并聯(lián)電容Cr1和串聯(lián)電感Lr1可以等效為一個(gè)并聯(lián)電容Cp1，對(duì)地并聯(lián)電容Cr2和串聯(lián)電感Lr2可以等效為一個(gè)并聯(lián)電容Cp2，因此圖1(b)中的等效電路圖可以變化為圖1(c)中所示簡(jiǎn)化等效電路圖。此時(shí)，Cp1和Cp2可以表示為

其中，ω為慢波傳輸線工作角頻率。

對(duì)于平面型慢波傳輸線，可運(yùn)用傳輸線理論進(jìn)行分析，慢波傳輸線的特性阻抗ZTL和相移θTL可以表示為

其中，Lt,Ct分別為慢波傳輸線的串聯(lián)總電感和并聯(lián)總電容，由圖1(c)可得所提出的諧振器慢波傳輸線的Lt和Ct為

從式(3)、式(4)可以看出，等比例增大傳輸線的串聯(lián)總電感Lt和并聯(lián)總電容Ct，特性阻抗ZTL保持不變，但傳輸線的相移θTL會(huì)增大，進(jìn)而減小導(dǎo)行電磁波的相速度，實(shí)現(xiàn)慢波效果，使傳輸線尺寸減小，應(yīng)用于射頻器件中可以顯著減小器件尺寸。

2.2 諧振器對(duì)慢波傳輸線的性能影響

在諧振器慢波傳輸線上加載了矩形諧振器和T型諧振器兩種諧振器，每種諧振器及連接線均等效為串聯(lián)諧振電路，如圖1(b)所示，其中矩形諧振器及連接線等效為Cr1和Lr1構(gòu)成的串聯(lián)諧振電路，T型諧振器及連接線等效為Cr2和Lr2構(gòu)成的串聯(lián)諧振電路，均位于慢波傳輸線中的主傳輸線的并聯(lián)支路上。因此，每種諧振器各對(duì)應(yīng)一個(gè)串聯(lián)諧振電路的諧振頻率點(diǎn)，即為慢波傳輸線阻帶內(nèi)的傳輸零點(diǎn)。慢波傳輸線的傳輸零點(diǎn)所在頻點(diǎn)，可以通過(guò)串聯(lián)諧振電路的等效元件參數(shù)，由式(7)和式(8)求出

其中，f01為矩形諧振器產(chǎn)生的傳輸零點(diǎn)所在頻率，f02為T(mén)型諧振器產(chǎn)生的傳輸零點(diǎn)所在頻率。通過(guò)仿真優(yōu)化每種諧振器及連接線尺寸，可以改變諧振器的等效串聯(lián)諧振電路的等效電容和電感值，使諧振器的諧振頻率點(diǎn)均位于慢波傳輸線的阻帶內(nèi)，每種諧振器會(huì)為慢波傳輸線各引入一個(gè)阻帶內(nèi)傳輸零點(diǎn)，從而增加慢波傳輸線的阻帶帶寬。當(dāng)矩形諧振器對(duì)應(yīng)的等效電容Cr1=0.34 pF，等效電感Lr1=1.94 nH時(shí)，通過(guò)式(7)計(jì)算可得矩形諧振器引入的傳輸零點(diǎn)頻率為6.2 GHz。當(dāng)T型諧振器對(duì)應(yīng)的等效電容Cr2=1.53 pF，等效電感Lr2=1.35 nH時(shí)，通過(guò)式(8)計(jì)算可得T型諧振器引入的傳輸零點(diǎn)頻率為3.5 GHz。由于工作中心頻點(diǎn)為0.9 GHz，這兩個(gè)傳輸零點(diǎn)均位于通帶外，當(dāng)這兩種諧振器加載于慢波傳輸線上時(shí)，會(huì)為慢波傳輸線的阻帶增加兩個(gè)傳輸零點(diǎn)，從而增加了慢波傳輸線的阻帶帶寬，實(shí)現(xiàn)寬阻帶性能。

為了分析兩種諧振器對(duì)慢波傳輸線傳輸零點(diǎn)的影響，將兩種諧振器加載于微帶線上，如圖2所示。對(duì)兩種諧振器的加載進(jìn)行仿真所得的S參數(shù)結(jié)果如圖3所示，矩形諧振器傳輸零點(diǎn)在6.2 GHz附近，T型諧振器傳輸零點(diǎn)在3.5 GHz附近，與理論計(jì)算結(jié)果基本一致?？梢?jiàn)，當(dāng)T型諧振器和矩形諧振器分別加載于微帶線l1=0.2 mm，l2=0.2 mm上時(shí)，分別在3.5 GHz和6.22 GHz具有最大衰減，其衰減值分別為35.7 dB和28.8 dB，分別形成傳輸零點(diǎn)，而隨著微帶線長(zhǎng)度l1, l2的增加，傳輸零點(diǎn)所在頻率點(diǎn)僅會(huì)向更高頻率處有著微小的偏移，頻點(diǎn)基本不變?？梢?jiàn)，諧振器加載處的微帶線長(zhǎng)度l1和l2的改變，對(duì)傳輸零點(diǎn)所在頻率影響較小。因此將諧振器加載在微帶線上實(shí)現(xiàn)在固定頻率處引入傳輸零點(diǎn)的方法，基本不會(huì)受到微帶線長(zhǎng)度l1和l2的影響，因此這種引入傳輸零點(diǎn)的方法是可行的。

2.3 諧振器慢波傳輸線仿真結(jié)果

由于Wilkinson功分器兩臂傳輸線的特性阻抗為70.7 Ω，相移為90°，因此所提出的諧振器慢波傳輸線的特性阻抗目標(biāo)值為70.7 Ω，相移目標(biāo)值為90°，最終優(yōu)化得到的尺寸如表1所示，結(jié)合參數(shù)提取[11]得到的在工作中心頻率0.9 GHz時(shí)對(duì)應(yīng)的等效電路元件參數(shù)值如表2所示。

表1 最終優(yōu)化得到的諧振器慢波傳輸線尺寸(mm)

表2 諧振器慢波傳輸線等效電路元件值

利用IE3D全波仿真軟件對(duì)諧振器慢波傳輸線進(jìn)行仿真，并利用Advanced Design System軟件對(duì)其等效電路進(jìn)行仿真，其仿真結(jié)果如圖4所示。由圖4(a)可見(jiàn)，由其結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果可見(jiàn)，在0～1.25 GHz頻帶范圍內(nèi)，該傳輸線的|S11|＜—10 dB,|S21|＞—0.6 dB。在0～1.60 GHz頻帶范圍內(nèi)，等效電路和結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果吻合良好。由于微帶結(jié)構(gòu)構(gòu)成的分布參數(shù)電感和電容，其等效電感和電容值隨頻率變化，等效電路只能針對(duì)微帶結(jié)構(gòu)的中心工作頻點(diǎn)0.9 GHz進(jìn)行提取，因此在遠(yuǎn)離0.9 GHz處等效電路的仿真結(jié)果與結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果有一定的偏差。

此外，由圖4(c)結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果可以看出，在0.9 GHz處，該慢波傳輸線的相移為90.0°。如圖4(b)所示，慢波傳輸線的等效特性阻抗實(shí)部為70.1 Ω，虛部為0.55 Ω。說(shuō)明了慢波傳輸線可以較好地用來(lái)取代功分器中的1/4波長(zhǎng)傳統(tǒng)傳輸線。

3 功分器設(shè)計(jì)與測(cè)試

利用兩段諧振器慢波傳輸線，設(shè)計(jì)了一款工作頻點(diǎn)為0.9 GHz的小型化功分器。其中，功分器的3個(gè)端口處采用50 Ω的微帶線。采用的介質(zhì)基板型號(hào)為F4B，相對(duì)介電常數(shù)為2.65，厚度為1 mm。所設(shè)計(jì)的功分器結(jié)構(gòu)圖和實(shí)物圖如圖5所示，其中，l= 26.7 mm, w= 25.1 mm, wa= 2.7 mm, la=5.0 mm, wd=2.7 mm, lb=9.7 mm, wf= 2.8 mm。兩輸出端口間的隔離電阻采用型號(hào)為0805的100 Ω貼片電阻。該功分器的尺寸為26.7 mm×25.1 mm，即0.12λg×0.11λg，其中λg是中心頻率為0.9 GHz時(shí)介質(zhì)基板上的導(dǎo)波波長(zhǎng)。采用是德科技N5242A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)功分器進(jìn)行測(cè)試，其仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖6所示。

由圖6(a)可以看出，功分器的測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果吻合良好，但由于電路板加工的精度和測(cè)試設(shè)備等，測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果仍存在較小的偏差。由測(cè)試結(jié)果可得，在0.10～1.19 GHz的頻帶范圍內(nèi)，|S11|小于—10 dB，相對(duì)帶寬為121.1%，|S21|和|S31|均大于—3.65 dB，其中在中心頻點(diǎn)0.9 GHz處|S11|為—33.1 dB, |S21|為—3.26 dB, |S31|為—3.24 dB。可見(jiàn)，功分器具有良好的等分效果和較低損耗的特性。由圖6(b)可見(jiàn)，在0.38～1.19 GHz, |S32|小于—10 dB，在中心頻點(diǎn)0.9 GHz處，|S32|為—33.3 dB，證實(shí)功分器的兩個(gè)信號(hào)輸出端口之間具有良好的隔離度。由圖6(c)所示，在0.1～1.19 GHz的頻帶范圍內(nèi)，兩個(gè)輸出端信號(hào)的幅度差小于0.1 dB，相位差小于0.25°。同時(shí)，從圖6(a)可以看出，功分器在2.2～11.05 GHz頻率范圍內(nèi)，|S21|, |S31|均小于—20 dB，說(shuō)明該功分器具有較寬的阻帶抑制效果，可以抑制較多的諧波。

采用同樣的介質(zhì)基板，工作于同樣中心頻率的情況下，傳統(tǒng)微帶Wilkinson功分器結(jié)構(gòu)尺寸和仿真結(jié)果如圖7所示，傳統(tǒng)功分器尺寸大小為 56.6 mm×31.7 mm，所以本文所提出的功分器的面積僅有傳統(tǒng)功分器的37.4%。

由圖7中傳統(tǒng)功分器的仿真S參數(shù)可以看出，|S11|小于—10 dB帶寬范圍為0.39～1.41 GHz，相對(duì)帶寬為113.3%。然而在1.41～12 GHz頻率范圍內(nèi)，傳統(tǒng)功分器分別在奇次諧波頻率處如2.7 GHz,4.5 GHz, 6.3 GHz, 8.1 GHz, 9.9 GHz附近產(chǎn)生諧波通帶，在這些頻點(diǎn)處其|S11|分別為—33.6 dB,—30.0 dB, —20.8 dB, —25.2 dB, —14.0 dB。且在每個(gè)諧波|S11|小于—10 dB頻帶范圍內(nèi)，|S21|和|S31|均大于—5.0 dB，因此在1.41～12 GHz頻率范圍內(nèi)具有5個(gè)奇次諧波通帶，所以傳統(tǒng)的微帶Wilkinson功分器不具備諧波抑制性能。

表3給出了所設(shè)計(jì)的功分器與當(dāng)前一些已報(bào)道的小型化諧波抑制功分器的性能對(duì)比。通過(guò)比較可以看出，本文所提出的功分器具有良好的小型化效果和寬阻帶諧波抑制性能，并且在通帶內(nèi)該功分器同樣具有良好的性能。

表3 與幾款小型化諧波抑制功分器的性能對(duì)比

4 結(jié)論

本文提出的諧振器慢波傳輸線通過(guò)加載T型諧振器、矩形諧振器和蛇形線實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了傳輸線的小型化和寬阻帶性能。將諧振器慢波傳輸代替Wilkinson功分器中的1/4波長(zhǎng)傳輸線，設(shè)計(jì)了一款小型化功分器，所提出的功分器尺寸僅有傳統(tǒng)Wilkinson功分器的37.4%，通帶內(nèi)性能良好，且具有諧波抑制的寬阻帶效果，可以廣泛應(yīng)用于無(wú)線通信系統(tǒng)中。