一種新型雙頻Wilkinson 功分器的設計

周銀磊,吳國安

(華中科技大學 電子科學與技術系, 武漢430074)

1 引 言

功率分配器作為基礎的微波器件在微波和毫米波系統中獲得了廣泛的應用。傳統的Wilkinson 功分器只能工作在單一的頻點和其奇次諧波處[1]。隨著多頻通信系統的日益普及,頻率復用器件的研究成為熱點。近年來,多種不同結構的雙頻功分器陸續報道出來[2-6]。文獻[2]介紹了利用兩段傳輸線在任意兩個頻點實現阻抗變換的方法。文獻[3] 利用雙頻阻抗變換原理設計了一個雙頻功分器,但設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),限制了應用。文獻[6]改進了文獻[5] 提出的設計,調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:分布參數結構(隔離電阻除外);良好的傳輸和端口匹配隔離特性;可調整的版圖布局;整體結構有利于減小寄生效應。通過奇偶模分析方法,利用微波網絡理論推導電路參數的設計公式,然后利用微波仿真軟件對電路進行仿真并制作了實物。仿真和實物測試結果驗證了本文推導結果的正確性,同時表明功分器能夠很好地工作在設計的兩個頻段內。

2 設計與理論分析

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。電路結構是完全對稱的,因此可以采用奇偶模分析方法來獲得具體的電路參數。

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:

根據式(1)、(2),通過代數運算,可得Z 1、Z 2、Z3、θ滿足以下關系:

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,以上推導公式應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,推導公式(3)、(4)、(9)、(10)同時成立,滿足雙頻工作的要求。

聯立式(3)、(4)、(9)、(10),根據給定工作頻率比值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(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。

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

3 仿真與實物測試

為了驗證上述設計方法,設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(矢量網絡分析儀Advantest R3767CG 測試)得到的結果如圖5 所示。實測結果表明,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。綜合實測數據,本次設計的功分器在中心頻率100 MHz帶寬內滿足插入損耗小于3.5 dB,端口隔離和回波損耗大于14 dB,顯示了良好的性能。測試結果與文獻[5]相比,插入損耗和回波損耗性能指標相近,端口隔離度更優,并且本次設計仿真結果和實測結果吻合好,容差小,更能指導設計工作。

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 參數仿真和實測結果Fig.5 Simulation and measurement results of S -parameters for proposed dual-band power divider

4 結 論

本文介紹了一種新的雙頻功分器的結構和設計方法,通過電路模型仿真和實物測試驗證了設計方法的可行性。設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構,具有設計精確靈活的特點。通過調整版圖設計,可以有效地減小器件體積,廣泛地應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.