小型化任意相位差功率分配器設計*

賀　慶，婁小平，祝連慶，，3*

（1.北京信息科技大學光電測試技術北京市重點實驗室，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學檢測技術及儀器北京實驗室，北京100101）

固態電子器件及材料

小型化任意相位差功率分配器設計*

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學檢測技術及儀器北京實驗室，北京100101）

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

在射頻技術應用中，信號的功率和相位是表征信號特征的兩個重要參數。對于信號功率和相位的精確控制模塊是射頻系統設計中必不可少的組成部分［1］。功率分配器作為一種傳統的微波無源器件，是實現信號功率控制功能的主要微波器件之一［2-4］。其優點在于：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，其廣泛應用于高效率功率放大器［5］，天線饋電網絡［6］和平衡混頻器［7］的設計中。隨著無線通信的快速發展，功率分配器在端口匹配［8］、多輸出端［9］、多頻段［10-12］等方向上快速發展。

然而以往的功率分配器，僅可以實現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用的范圍。在高效率放大器［13］、Butler矩陣［14，15］和測向系統［16］中，往往需采用功率分配器和移相器相結合的方案來完成對功率和相位的調節。這無疑增加了系統的復雜性。

項目來源：長江學者和創新團隊發展計劃項目（IRT1212）；北京市屬高等學校創新團隊建設與教師職業發展計劃項目（IDHT20130518）；北京信息科技大學校科研基金項目（1625003）

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構。該結構由即可實現對信號功率的分配同時又可實現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構與分析

提出的小型化任意相位差功率分配器結構如圖1所示。

圖1　小型化任意相位差功率分配器結構圖

該結構具有軸對稱性，其中4條傳輸線連成環形，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段傳輸線并聯于右側傳輸線段中心。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。

根據結構的對稱性，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　該結構的奇偶模等效電路結構圖

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。根據奇偶模理論，等效電路模型的傳輸參數T和反射參數Г可表示如下［9］：

據此可以得到歸一化后的散射參數（S參數）.

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

將式（1）、式（2）代入式（6）可求得各傳輸線的設計參數表達式如下：

式（7）即為小型化任意相位差功率分配器的設計公式。其中θc，θd為自由變量，可根據實際需要，對結構設計進行優化。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，從而得到所需要的電路模型。該結構∠S21-∠S31可實現的相位差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，工作頻率設定為1 GHz。工作帶寬定義為S參數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，設定功率分配器為等功率輸出，即功分比為1，相位差為90°。經過優化后，令θc，θd分別為60°和19°。將該參數代入式（7），可求得結構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

根據以上設計參數在ADS2009軟件中對其建模，仿真所得S參數曲線如圖3所示。

圖3　實例1的仿真結果

由仿真結果可見：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°，實現了預期的功能。因此該結構既保留功率分配器的原有功能，又實現了指定的輸出相位差。經測量本仿真實例的比例帶寬約為24.8%。

經觀察可發現，本仿真中的設計目標與經典定向耦合器相似。但其帶寬比定向耦合器更寬（傳統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定向耦合器的一種優化改進。

2.2實例2

在實例2中，為了同時驗證該結構的不等分功率比和任意相位差特性，設定兩輸出信號功分比G為2（6.02 dB），相位差ψ為60°。經優化，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。根據以上參數進行建模并仿真。所得S參數曲線如圖4所示。

圖4　實例2的仿真結果

仿真結果可見，該仿真同樣實現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了預期的目標。經測量本仿真實例的比例帶寬約為37%。

3　總結

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

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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、生物醫學檢測技術及儀器、精密測量與系統，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