許莫琪,董艷紅,胡文慧,吳云飛

(佳木斯大學 理學院，黑龍江 佳木斯 154007)

近年來，人們對平面?zhèn)鬏斁€缺地結構(一種混合耦合結構)的頻率響應表現出多個電磁帶隙(EBG)或阻帶特性[1-5]的興趣日益增長。因此，新型緊湊的Wilkinson功分器可以基于周期或非周期的缺陷地結構(DGS)進行設計。但是，使用全波電磁仿真對缺陷地結構陣列進行直接優(yōu)化設計是需要耗費相當長的時間才能得到所需的設計參量，特別是當電路中的缺陷地結構數量相當大的時候更耗時。在這種情況下，基于器件等效電路的優(yōu)化是一種顯而易見且易于操作的方式。為了達到這個目的，獲得缺陷地結構的簡單而又精確的電路模型是一種必要的操作。文獻[1]中報道了利用集總元件電路模型對微帶地平面一個相當特別的槽諧振器的最初兩個諧振模型進行建模。

對于Wilkinson功分器而言，特別是對于寬帶的應用場景下，一般需要設計多級級聯(lián)的Wilkinson功分器來拓展帶寬，使用這種方法無疑會使得整個電路的體積增大，這在一定程度上使整個產品本身的尺寸增大很多，不易于攜帶，同時成本也會增加，無法形成一定的經濟效益。本文首先考慮將槽地結構運用在Wilkinson功分器中，構建一種單級的超寬帶Wilkinson功分器，盡量使其面積足夠小。因此，本文的行文安排為：首先介紹缺陷地結構，并介紹一種等效模型的建模，然后構造一種等分型的Wilkinson功分器。仿真結果表明，基于DGS設計的寬帶Wilkinson功分器在16～45 GHz頻率范圍內插損≤-3.2 dB，并且輸出端口2和輸出端口3之間的相位基本上保持一致，輸入輸出端口的回波損耗在10～45 GHz范圍內≤-10 dB，輸出端口2,3之間的隔離度在15～41 GHz頻率范圍內滿足≤-10 dB。

1 DGS電路模型

2005年，J. S. Hong博士給出了一種適用于平面?zhèn)鬏斁€的缺陷地結構(DGS)的通用電路模型[6]。如圖1所示為L型DGS加載的CPW，這里只選取一種具有普遍適用性的電路作為理論分析，其他類型的DGS分析與本文類似。其等效電路如圖2所示，假定f01和f02分別是第一和第二諧振頻率，fT是過渡頻率，這里只考慮第一諧振模式和第二諧振模式，這樣，在CPW上的DGS單元可以通過兩個LC諧振器(L1，C1，L2，C2)與由Cp，Ls1Ls2組成的T型網絡連接起來建模。該T型網絡本質上代表兩個諧振器之間的相互作用。低于過渡頻率fT則第一諧振器主導頻率特性，而高于過渡頻率fT則第二諧振器主導頻率特性。Z0是傳輸線特征阻抗。為了提取所有電路其他參數，需要從電磁仿真中獲得以下參數：f01,f02,fT(f01處的3 dB帶寬和f02處的3 dB帶寬)，X11,X22和X21是3個在fT的Z參數的虛部。由電路理論可知：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:i=1,2。其中,式(1)可以從傳輸線參數(即當S21是按照諧振器導納表示時，單個兩端口諧振器

網絡的S21)中推導出來。

圖1 L型DGS加載的CPW

圖2 DGS通用電路模型

2 18～40 GHz 一分二Wilkinson功分器仿真

如圖3所示為本文構造的工作在18～40 GHz頻段的寬帶Wilkinson功分器圖，其中，整個功分器分為兩個部分。第一部分如圖3(a)所示，上表面使用漸變線結構構造傳統(tǒng)的Wilkinson功分器，并在隔離電阻與漸變線交匯處添置使用三端開路微帶線。第二部分為在對應的開路微帶線下方的地開窗，構造缺陷地結構，該缺陷地結構具有上文提到的第一諧振頻率和第二諧振頻率。在HFSS中構建如圖3(b)所示的仿真模型，其中，隔離電阻的阻值為100 Ω。介質基板采用介電常數為9.9的Al2O3板材，腔體高度為2 mm,覆銅厚度1 oz。仿真結果如圖4～圖7所示。

對模型進行仿真，圖4所示為輸出端口2和輸出端口3的插入損耗隨頻率變化情況，從圖中可以看到，頻率在16～45 GHz范圍內插損≤-3.2 dB，在14～50 GHz頻率范圍內插入損耗≤-3.3 dB,而在仿真預期頻率范圍18～40 GHz內插入損耗≤-3.15 dB，該損耗完全滿足產品使用要求，性能優(yōu)良。

圖6 輸出端口2,3之間的隔離度隨頻率變化情況

圖7 輸出端口2,3相位隨頻率變化情況

如圖5所示為輸入端口1和輸出端口2以及輸出端口3之間的回波損耗仿真結果，仿真表明，輸入輸出端口的回波損耗在10～45 GHz范圍內≤-10 dB，在仿真預期設計的頻率范圍18～40 GHz內,輸入端口的回波損耗滿足S11≤-18 dB，輸出端口S22,S33滿足≤-14 dB。如圖6所示為輸出端口2和3之間的隔離度仿真結果，在輸出端口2,3之間的隔離度在15～41 GHz頻率范圍內滿足≤-10 dB。同時也滿足設計預期頻率范圍內的設計要求。如圖7所示為輸出端口2和3之間的相位隨頻率變化仿真結果，從圖中可以看出，兩個輸出端口之間的相位基本滿足一致。綜上，本文設計了一款工作在18～40 GHz的高頻寬帶Wilkinson功分器，其各項指標基本達到設計要求。

3 結束語

本文首先介紹缺陷地的基本結構，并進行等效模型建模的理論分析，然后使用HFSS仿真1款基于DGS缺陷地的漸變線型的寬帶Wilkinson功分器，仿真表明：在18～40 GHz的預期頻率范圍內，最大插損為-3.15 dB，隔離度≤-10 dB，輸出端口相位變化情況基本一致，S11在整個頻段內回波損耗均<-18 dB，S22和S33在整個頻段內回波損耗均<-14 dB，其中，S22和S33效果略差，整體而言設計指標較好地滿足產品設計使用要求。仿真表明，該寬帶Wilkinson功分器在18～40 GHz的頻率范圍性能和設計指標都得到了良好的設計。同時，由于仿真設計達到了設計之初的設計要求，為今后實物驗證提供了理論支撐。