新型小型化超寬帶功率分配器?

李魏，范海軍，周希朗

新型小型化超寬帶功率分配器?

李魏，范海軍，周希朗

（上海交通大學射頻與微波技術研究中心，上海200240）

利用長為四分之一波長、兩端交叉短路的對稱耦合微帶線和長為四分之三波長折疊微帶線并聯結構，提出一種新型小型化超寬帶功率分配器。在等效傳輸線模型的基礎上，采用奇偶模分解方法對其進行了理論分析，給出了參數設計方程。利用HFSS仿真優化一個微帶結構的超寬帶功率分配器。仿真和測量結果表明，通帶內插入損耗小于2 dB，輸入輸出端口的回波損耗分別大于10 dB和7 dB，隔離度大于6 dB，高頻帶外插入損耗在13～20 GHz范圍內大于20 dB。該結構尺寸僅為28 mm×32 mm，具有小型化的特點。

功率分配器；超寬帶；奇偶模分解方法；對稱耦合微帶線

1 引言

自從美國聯邦通信委員會（FCC）2002年公布超寬帶標準以來，關于超寬帶器件的研究逐漸增加。到目前為止，已經有很多設計超寬帶天線和濾波器的文獻［1－3］，但關于超寬帶功率分配器的文獻并不多。文獻［4］通過級聯多級威爾金森功率分配器來達到擴展頻寬的目的，但這種結構尺寸太大而且使用了更多的電阻。文獻［5］中使用微帶線到槽線形成的T型結構，提出了一種小型化的異相超寬帶功率分配器。文獻［6］中采用了一對四分之一波長短路分支線和一對平行耦合線設計超寬帶功率分配器，具有很好的帶通性能和隔離度，但這種結構尺寸相對于現在的移動設備尺寸仍比較大。通過在兩級級聯的威爾金森功率分配器的兩個分支上加入開路分支線，也可以實現超寬帶功能［7］。文獻［8］提出用多層微帶線槽線耦合結構設計超寬帶功率分配器，具有很好的帶通性能和帶外抑制性能，但是結構復雜，不利于加工。

本文采用長為四分之一波長、兩端交叉短路的對稱耦合微帶線和長為四分之三波長的折疊微帶線并聯結構，設計出一種新型小型化超寬帶功率分配器。兩端交叉短路對稱耦合微帶線的引入不僅可以增加通帶內的傳輸極點，還可以在帶外引入傳輸零點。使用折疊微帶線可以進一步減少結構尺寸。采用奇偶模分解方法對其進行理論分析，得到相應的設計方程。利用給出的初始設計參數對此功率分配器進行了仿真優化，最后加工成實物，仿真和測量結果具有很好的一致性。

2 設計原理

圖1給出了本文所設計的功率分配器結構圖。由于其結構的對稱性，因此采用奇偶模分解方法［9］來分析它。

2.1 偶模分析

功率分配器的偶模等效電路如圖2（a）所示。Y2和θ2分別表示折疊微帶線的特性導納和電長度，θc是對稱耦合微帶線的電長度。由于θ1較小，分析過程中忽略Y1。推導出此兩端口網絡的導納矩陣［10］為

式中，Yo＋＝Yoe＋Yoo，Yo－＝Yoe－Yoo。Yoe和Yoo分別是對稱耦合微帶線的偶、奇模特性導納。經過復雜的代數運算，端口1和2的輸入導納分別為

其中：

當Yein1＝Yp1、Yein2＝Yp2時，端口實現匹配。由θ2＝3θc＝1.5π，從式（2）可以得到：

2.2 奇模分析

功率分配器的奇模等效電路如圖2（b）所示，得到端口2的輸入導納為

3 仿真與測試結果

本文采用相對介電常數為2.65、厚度為0.8 mm、損耗角正切為0.001的介質基片。利用上文中分析得到的特性阻抗計算出該結構的初始值，利用HFSS仿真優化得到最終的尺寸為：L1＝8.4 mm，L2＝9.4 mm，L3＝5.8 mm，Lc＝5.7 mm，W1＝1.7 mm，Wc＝1 mm，Wg＝1.1 mm，Wf＝2.2 mm。

加工出的實物如圖3所示，尺寸為28 mm× 32 mm。仿真和測量結果如圖4所示。

仿真的S11在3.1～10.6 GHz范圍內均大于10 dB，實測的S11在3.6～11.1 GHz范圍內大于10 dB，這種差異可能是由加工精度以及SMA接頭的影響所致。實測的S21在3.6～8.9 GHz范圍內小于1 dB，在8.9～11.1 GHz范圍內小于2 dB。高頻段插入損耗的增加與SMA接頭以及微帶線的色散效應有關。對稱耦合微帶線的引入導致S21的兩邊非常陡峭并且從13～20 GHz范圍插入損耗都大于20 dB。S22在整個通帶內均大于7 dB而S32則大于6 dB，輸出端口之間的隔離度偏大可能是由于隔離電阻的高頻效應引起的。

4 總結

本文提出了一種適用于超寬帶應用、微帶結構的小型化超寬帶功率分配器。通過研究發現，對稱耦合微帶線的引入不僅可以增加通帶內的傳輸極點還可以在帶外引入傳輸零點。使用折疊微帶線可以進一步減少結構尺寸。本文提出的超寬帶功率分配器可望用于實際的超寬帶移動通信系統，采用的分析方法對進一步研究其它新型功率分配器以及濾波器其有一定的參考價值。

參考文獻：

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LI Wei was born in Huainan，Anhui Province，in 1985.He received the B.S.degree from Jilin University in 2007.He is now a graduate student in Center for Microwave and RF Technologies，Shanghai Jiaotong University.His research concerns RF and microwave circuits.

Email：liwei－0308＠163.com

范海軍（1986－），男，江蘇南通人，2008年于電子科技大學應用物理專業獲學士學位，現為上海交通大學射頻與微波技術研究中心碩士研究生，主要研究領域為微波無源器件小型化；

FAN Hai－jun was born in Nantong，Jiangsu Province，in 1986.He received the B.S.degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2007.He is now a graduate student in Center for Microwave and RF Technologies，Shanghai Jiaotong U-niversity.His research concerns microwave passive components.

Email：h.j.fan＠sjtu.edu.cn

周希朗（1952－），男，江蘇徐州人，教授、博士生導師，主要研究領域為微波、毫米波集成電路。

ZHOU Xi-lang was born in Xuzhou，Jiangsu Province，in 1952.He is now a professor and also the Ph.D.supervisor.His research concerns microwave and millimeter-wave integrated circuits.

Email：xlzhou＠sjtu.edu.cn

A Novel Compact Ultra-wideband Power Divider

LI Wei，FAN Hai-jun，ZHOU Xi-lang
（Center for Microwave and RF Technologies，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China）

A novel compact ultra-wideband（UWB）power divider is proposed.The structure is formed by a short-circuited coupled microstrip lines section connected in parallel to a folded microstrip line segment at each output port.Based on equivalent transmission line model，design equations and guidelines of the proposed UWB power divider are given using even-and-odd-mode analysis.Then a prototype of this power divider is designed and fabricated on microstrip topology.The simulated and measured results show the insertion loss is less than 2 dB.The return loss for the input／output ports is better than 10 dB／7 dB whereas the isolation is better than 6 dB.The out of band rejection level is more than 20 dB from 13 GHz to 20 GHz.It also has a small size of 28 mm×32 mm.

power divider；ultra-wideband（UWB）；even-and odd-mode decomposition method；symmetric coupled microstrip lines

The National Program on Key Basic Research Project（973 Program）（No.2009CB320204）；The National Natural Science Foundation of China（No.60821062）

TN626

A

10.3969／j.issn.1001－893x.2011.02.020

李魏（1985－），男，安徽淮南人，2007年于吉林大學獲電子信息科學與技術專業學士學位，現為上海交通大學射頻與微波技術研究中心碩士研究生，主要研究領域為射頻、微波電路；

1001－893X（2011）02－0098－04

2010－11－12；

2010－12－15

國家重點基礎研究發展規劃（973計劃）項目（2009CB320204）；國家自然科學基金資助項目（60821062）