賀　慶，婁小平，祝連慶，，3*

（1.北京信息科技大學光電測試技術(shù)北京市重點實驗室，北京100101；2.北京信息科技大學光電信息與儀器北京市工程研究中心，北京100101；3.北京信息科技大學生物醫(yī)學檢測技術(shù)及儀器北京實驗室，北京100101）

固態(tài)電子器件及材料

小型化任意相位差功率分配器設(shè)計*

賀慶1，婁小平2，祝連慶1，2，3*

（1.北京信息科技大學光電測試技術(shù)北京市重點實驗室，北京100101；2.北京信息科技大學光電信息與儀器北京市
工程研究中心，北京100101；3.北京信息科技大學生物醫(yī)學檢測技術(shù)及儀器北京實驗室，北京100101）

提出了一種小型化的任意相位差功率分配器結(jié)構(gòu)。該電路結(jié)構(gòu)由五段微帶線和1個匹配電阻組成。通過調(diào)節(jié)傳輸線段的設(shè)計參數(shù)，該功率分配器可以實現(xiàn)指定的相位差和功分比信號輸出。利用奇偶模分析技術(shù)，推導出了該結(jié)構(gòu)的閉式計算公式。為了驗證該結(jié)構(gòu)的可行性，在1 GHz工作頻率上對其進行了兩次建模仿真。研究結(jié)果證明：該設(shè)計可以實現(xiàn)兩路功率比和相位差可控的信號輸出。

微波元件；功率分配器，任意相位差；不等分；奇偶模分析

在射頻技術(shù)應(yīng)用中，信號的功率和相位是表征信號特征的兩個重要參數(shù)。對于信號功率和相位的精確控制模塊是射頻系統(tǒng)設(shè)計中必不可少的組成部分［1］。功率分配器作為一種傳統(tǒng)的微波無源器件，是實現(xiàn)信號功率控制功能的主要微波器件之一［2-4］。其優(yōu)點在于：各端口完美匹配，輸出端口間理想隔離以及可將輸入信號功率無耗地按照一定比例分配到輸出端口。因此，其廣泛應(yīng)用于高效率功率放大器［5］，天線饋電網(wǎng)絡(luò)［6］和平衡混頻器［7］的設(shè)計中。隨著無線通信的快速發(fā)展，功率分配器在端口匹配［8］、多輸出端［9］、多頻段［10-12］等方向上快速發(fā)展。

然而以往的功率分配器，僅可以實現(xiàn)對于信號功率的分配，而無法兼顧信號的相位差控制。因此限制了其實際應(yīng)用的范圍。在高效率放大器［13］、Butler矩陣［14，15］和測向系統(tǒng)［16］中，往往需采用功率分配器和移相器相結(jié)合的方案來完成對功率和相位的調(diào)節(jié)。這無疑增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。

項目來源：長江學者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃項目（IRT1212）；北京市屬高等學校創(chuàng)新團隊建設(shè)與教師職業(yè)發(fā)展計劃項目（IDHT20130518）；北京信息科技大學?？蒲谢痦椖浚?625003）

收稿日期：2016-03-13修改日期：2016-04-25

本文提出了一種小型化的任意相位差功率分配器結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由即可實現(xiàn)對信號功率的分配同時又可實現(xiàn)輸出信號相位差的控制。借助ADS軟件，仿真驗證了該理論的正確性。

1　小型化任意相位差功率分配器結(jié)構(gòu)與分析

提出的小型化任意相位差功率分配器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　小型化任意相位差功率分配器結(jié)構(gòu)圖

該結(jié)構(gòu)具有軸對稱性，其中4條傳輸線連成環(huán)形，輸入端口Port1，輸出端口Port2、Port3以及匹配電阻R分別連接在4段傳輸線間的交接處，第5段傳輸線并聯(lián)于右側(cè)傳輸線段中心。5段傳輸線的特征阻抗和電長度分別在圖中表示為Za，Zb，Zc，Zd和θa，θb，θc，θd。匹配電阻R等于端接阻抗Z0。

根據(jù)結(jié)構(gòu)的對稱性，利用奇偶模分析的方法，將該電路分解為奇、偶模等效電路，如圖2所示。

圖2　該結(jié)構(gòu)的奇偶模等效電路結(jié)構(gòu)圖

分別求得奇偶模等效電路的傳輸矩陣（ABCD矩陣）為：

其中：

式中的下標e、o分別代表偶模和奇模。根據(jù)奇偶模理論，等效電路模型的傳輸參數(shù)T和反射參數(shù)Г可表示如下［9］：

據(jù)此可以得到歸一化后的散射參數(shù)（S參數(shù)）.

為了保證功率分配器的輸入端口匹配和輸出端口間隔離，應(yīng)使S11和S32為0。根據(jù)設(shè)計目標，令兩路輸出信號間的功分比為|S21|/|S31|=G，相位差為∠S21-∠S31=ψ。經(jīng)整理后，ABCD矩陣的關(guān)系如下：

將式（1）、式（2）代入式（6）可求得各傳輸線的設(shè)計參數(shù)表達式如下：

式（7）即為小型化任意相位差功率分配器的設(shè)計公式。其中θc，θd為自由變量，可根據(jù)實際需要，對結(jié)構(gòu)設(shè)計進行優(yōu)化。對于給定的功分比G和相位差ψ，代入式（7）中即可計算出各段傳輸線的特征阻抗和電長度參數(shù)，從而得到所需要的電路模型。該結(jié)構(gòu)∠S21-∠S31可實現(xiàn)的相位差ψ范圍為（0，π）。當要求另外半周相位差時，通過交換兩輸出端口位置，即∠S31-∠S21，便可得到。

2　仿真驗證

利用仿真軟件AD2009對所提出的模型進行了兩組仿真驗證。為了簡化說明，兩組仿真實例中，端口阻抗均采用50 Ω，工作頻率設(shè)定為1 GHz。工作帶寬定義為S參數(shù)滿足以下條件的頻率范圍：|S11|＜-10 dB，|S32|＜-10 dB，|S21/（GS31）|＜0.7 dB，|∠S21-∠S31-ψ|＜5°。

2.1實例1

在第1實例中，設(shè)定功率分配器為等功率輸出，即功分比為1，相位差為90°。經(jīng)過優(yōu)化后，令θc，θd分別為60°和19°。將該參數(shù)代入式（7），可求得結(jié)構(gòu)中各段傳輸線的特征阻抗和電長度，如表1所示。

表1　實例1和實例2中各段傳輸線的特征阻抗和電長度

根據(jù)以上設(shè)計參數(shù)在ADS2009軟件中對其建模，仿真所得S參數(shù)曲線如圖3所示。

圖3　實例1的仿真結(jié)果

由仿真結(jié)果可見：在工作頻率處，S11和S32均小于-40 dB，達到了完美的匹配和理想的隔離。同時，該功分器將信號功率均分至兩個輸出端口，信號間相位差為90°，實現(xiàn)了預(yù)期的功能。因此該結(jié)構(gòu)既保留功率分配器的原有功能，又實現(xiàn)了指定的輸出相位差。經(jīng)測量本仿真實例的比例帶寬約為24.8%。

經(jīng)觀察可發(fā)現(xiàn)，本仿真中的設(shè)計目標與經(jīng)典定向耦合器相似。但其帶寬比定向耦合器更寬（傳統(tǒng)定向耦合器比例帶寬約22.2%），電路尺寸有所減小。因此，本組仿真也可看成是對傳統(tǒng)定向耦合器的一種優(yōu)化改進。

2.2實例2

在實例2中，為了同時驗證該結(jié)構(gòu)的不等分功率比和任意相位差特性，設(shè)定兩輸出信號功分比G為2（6.02 dB），相位差ψ為60°。經(jīng)優(yōu)化，令θc，θd分別為46°和45°。代入公式（7），可計算得各段傳輸線的特征阻抗和電長度，列入表1中。根據(jù)以上參數(shù)進行建模并仿真。所得S參數(shù)曲線如圖4所示。

圖4　實例2的仿真結(jié)果

仿真結(jié)果可見，該仿真同樣實現(xiàn)了輸入端口的完美匹配和輸出端口間的理想隔離。同時完成了輸出信號功率不等分的功能，在工作頻率處，S21=-0.97 dB，S31=-6.99 dB，功分比剛好為6.02 dB，輸出信號間相位差為60°。可見該模型有效的實現(xiàn)了預(yù)期的目標。經(jīng)測量本仿真實例的比例帶寬約為37%。

3　總結(jié)

本文提出了一種可輸出任意相位差的功率分配器結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由五段傳輸線和一個匹配電阻構(gòu)成。通過理論推導，得出該結(jié)構(gòu)的解析設(shè)計公式。為了驗證該結(jié)構(gòu)的有效性，對其進行了兩組仿真。仿真結(jié)果證明了該模型具有同時實現(xiàn)任意相位差和功率不等分的能力。在該功率分配器的設(shè)計公式中有兩個自由變量。通過調(diào)節(jié)這兩個變量，可以優(yōu)化功率分配器模型的帶寬和尺寸，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的小型化。

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賀慶（1982-），男，山東煙臺人，北京信息科技大學講師，博士。研究方向為微波無源器件，bomb_82@163.com；

祝連慶（1963-），男，博士，北京信息科技大學教授，博士生導師。研究方向為光纖傳感與激光器、生物醫(yī)學檢測技術(shù)及儀器、精密測量與系統(tǒng)，42033768@qq.com。

Design of Miniaturization Power Divider with Arbitrary Output Phase Difference*

HE Qing1，LOU Xiaoping2，ZHU Lianqing1，2，3*
（1.Beijing Key Laboratory for Opto-Electronics Measurement Technology，Beijing Information Science and Technology University，Beijing 100101，China；2.Beijing Engineering Research Center of Optoelectronic Information and Instruments，Beijing Information Scienceand Technology University，Beijing 100101，China；3.Beijing Laboratory for Biomedical Detection Technology and Instrument，Beijing Information Science and Technology University，Beijing 100101，China）

A miniaturization power divider with arbitrary output phase difference is presented.The circuit structure consists of five microstrip lines and a matching resister.By tuning the design parameters of every transmission line，the proposed power divider can produce the required phase difference and power division outputs.Using the evenodd mode analysis method，the closed-form design equation of this structure is deduced.To demonstrate the validity of this structure，two simulations of this model are operated at 1 GHz.The research results prove that this design can realize two controllable power division and phase difference signal outputs.

microwave component；power divider；arbitrary phase difference；unequal power division；even-odd mode analysis

TN626

A

1005-9490（2016）03-0501-04

EEACC：135010.3969/j.issn.1005-9490.2016.03.001