周銀磊,吳國安

(華中科技大學(xué) 電子科學(xué)與技術(shù)系, 武漢430074)

1 引 言

功率分配器作為基礎(chǔ)的微波器件在微波和毫米波系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的Wilkinson 功分器只能工作在單一的頻點和其奇次諧波處[1]。隨著多頻通信系統(tǒng)的日益普及,頻率復(fù)用器件的研究成為熱點。近年來,多種不同結(jié)構(gòu)的雙頻功分器陸續(xù)報道出來[2-6]。文獻[2]介紹了利用兩段傳輸線在任意兩個頻點實現(xiàn)阻抗變換的方法。文獻[3] 利用雙頻阻抗變換原理設(shè)計了一個雙頻功分器,但設(shè)計沒有考慮傳輸線相位匹配,端口隔離度比較差。文獻[4]通過在輸出端口增加電容和電感實現(xiàn)了相位匹配,但是分立元件的值均固定且精度較低,難以滿足實際設(shè)計的要求。文獻[5]通過在功分器輸入端增加開路傳輸線較好地實現(xiàn)了輸出端口隔離,但是尺寸較大(開路傳輸線長度為1/2 波長),限制了應(yīng)用。文獻[6]改進了文獻[5] 提出的設(shè)計,調(diào)整了輸出端口的位置,有效減小了器件尺寸。

本文提出了一種新的雙頻功分器,該功分器具有如下的特點:分布參數(shù)結(jié)構(gòu)(隔離電阻除外);良好的傳輸和端口匹配隔離特性;可調(diào)整的版圖布局;整體結(jié)構(gòu)有利于減小寄生效應(yīng)。通過奇偶模分析方法,利用微波網(wǎng)絡(luò)理論推導(dǎo)電路參數(shù)的設(shè)計公式,然后利用微波仿真軟件對電路進行仿真并制作了實物。仿真和實物測試結(jié)果驗證了本文推導(dǎo)結(jié)果的正確性,同時表明功分器能夠很好地工作在設(shè)計的兩個頻段內(nèi)。

2 設(shè)計與理論分析

圖1 給出了雙頻功分器的原理圖,由微帶線和隔離電阻組成,其中Z1、Z2、Z 3為微帶線的特征阻抗,R 為隔離電阻, θ為電長度。電路結(jié)構(gòu)是完全對稱的,因此可以采用奇偶模分析方法來獲得具體的電路參數(shù)。

圖1 雙頻功分器原理圖Fig.1 Proposed dual-band power divider topology

2.1 偶模分析

偶模激勵條件下,其半邊等效電路如圖2(a)所示,ABCD 矩陣可以表示為

為了滿足阻抗變換,Port2 的阻抗Z 0必須變換到Port1 的阻抗2Z0,故從Port1 看進去的輸入阻抗Z in可由下式表示:

根據(jù)式(1)、(2),通過代數(shù)運算,可得Z 1、Z 2、Z3、θ滿足以下關(guān)系:

圖2 功分器半邊等效電路Fig.2 Half-circuit of power divider

2.2 奇模分析

奇模激勵條件下,其等效半邊電路如圖2(b)所示,其阻抗ZA、ZB 、Z C可由以下3 個公式表示:

為了滿足阻抗匹配,ZB 、ZC必須滿足以下等式:

經(jīng)過改寫,可得

2.3 雙頻分析

假定功分器的工作頻率分別為f 1和f2(其中f 2>f1),f2=Kf1(K 為中心頻率比值)。為了滿足雙頻工作的需要,以上推導(dǎo)公式應(yīng)該在給定的兩個頻率同時成立。只需取即可滿足tan2θf1=tan2θf2。這樣在兩個中心頻率點,推導(dǎo)公式(3)、(4)、(9)、(10)同時成立,滿足雙頻工作的要求。

聯(lián)立式(3)、(4)、(9)、(10),根據(jù)給定工作頻率比值K ,求解非線性方程組,可以求出電路參數(shù)Z1、Z 2、Z 3、R 。圖3 顯示了Z 1、Z 2、Z 3、R 與不同頻率比值K 之間的變化關(guān)系(其中Z1、Z2、Z3、R 均為歸一化阻抗)。由圖3可知,在比較寬的頻率比值范圍內(nèi)(2.2 ～5.0),雙頻功分器都能用切合實際的微帶線和隔離電阻實現(xiàn)。

圖3 特征阻抗與頻率比值K 之間的關(guān)系Fig.3 Characteristic impedances(normalized)against K

3 仿真與實物測試

為了驗證上述設(shè)計方法,設(shè)計制作了一個工作頻率為1 GHz和2.6 GHz的雙頻功分器,實物如圖4所示,其中基板為TLY-5(介電常數(shù)εr=2.2, 基板厚度H=0.78 mm, 銅箔厚度T=35 μm),所有的端口阻抗為50 Ψ。通過求解非線性方程組(3)、(4)、(9)、(10),可得Z 1 =36.45 Ψ, Z 2 =58.60 Ψ, Z 3 =50.30 Ψ,R=104.75 Ψ,1 GHz對應(yīng)的電長度為θf1=通過微波仿真軟件的微帶線計算工具,可以得到各段微帶線的寬度和長度。利用微波仿真軟件仿真和實測(矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Advantest R3767CG 測試)得到的結(jié)果如圖5 所示。實測結(jié)果表明,中心頻率點插入損耗S 21 小于3.3 dB,各端口的回波損耗S11、S 22 均大于21 dB,端口隔離度S23大于28 dB。綜合實測數(shù)據(jù),本次設(shè)計的功分器在中心頻率100 MHz帶寬內(nèi)滿足插入損耗小于3.5 dB,端口隔離和回波損耗大于14 dB,顯示了良好的性能。測試結(jié)果與文獻[5]相比,插入損耗和回波損耗性能指標(biāo)相近,端口隔離度更優(yōu),并且本次設(shè)計仿真結(jié)果和實測結(jié)果吻合好,容差小,更能指導(dǎo)設(shè)計工作。

圖4 1 GHz/2.6 GHz 雙頻功分器實物圖Fig.4 Photo of fabricated power divider operating at 1 GHz and 2.6 GHz

圖5 雙頻功分器S 參數(shù)仿真和實測結(jié)果Fig.5 Simulation and measurement results of S -parameters for proposed dual-band power divider

4 結(jié) 論

本文介紹了一種新的雙頻功分器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計方法,通過電路模型仿真和實物測試驗證了設(shè)計方法的可行性。設(shè)計的功分器具有良好的信號傳輸、端口匹配和隔離特性,并且采用平面微帶結(jié)構(gòu),具有設(shè)計精確靈活的特點。通過調(diào)整版圖設(shè)計,可以有效地減小器件體積,廣泛地應(yīng)用到各種射頻電路中。

[ 1] Pozar D M.Microwave Engineering[M] .3rd ed.New York:W iley,2005.

[2] Monzon C.A Small Dual-Frequency Transformer in Two Sections[ J] .IEEE Transactions on Microwave, Theory and Techniques, 2003,51(4):1157-1161.

[ 3] Srisathit S, Virunphun S, Bandudej K, et al.A dual-band 3dB three-port power divider based on a two-section transmission line transformer[C]//Proceedings of 2003 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest.Philadelphia,PA,USA:IEEE,2003:35-38.

[4] Lei Wu, Sun Zengguang, Berroth M.A Dual-Frequency Wilkinson Power Divider[ J] .IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2006,54(1):278-284.

[5] Cheng Kwok-Keung,Wong Fai-Leung.A New W ilkinson Power Divider Design for Dual Band Application[ J] .IEEE Microwave and W ireless Components Letters, 2007, 17(9):664-666.

[6] Cheng Kwok-Keung, Carlos Law.A Novel Approach to the Design and Implementation of Dual-Band Power Divider[ J] .IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2008,56(2):487-492.