一種28 GHz功分器的設計

任 建* 郭國發 趙 冰 鄭艷娜

（沈陽工業大學信息科學與工程學院，遼寧 沈陽 110870）

1 概述

隨著5G毫米通信技術的發展，一種高性能的功率分配器變得至關重要，該器件不僅要有高帶寬、低功耗以及指數更大的隔離參數，還需在幅頻特性和相頻特性方面有良好的性能。所以一個高帶寬和低功耗的功率分配器變得非常重要。

本文采用微帶線設計了一款能夠工作在28 GHz的兩路威爾金森功率分配器，帶寬范圍為27-29 GHz。近年來，國內外許多學者對功率分配器的研究取得了很好的進展。L.Guo，J.Li等人于2019年提出了一種合成器結構，該結構由三級合成器結構相互連接而成，最終形成一款八路的功率合成器[1]，此結構隔離度足夠高，便于器件的集成。楊晶晶等人同樣利用多節功分器的連接設計了一款擁有6 GHz帶寬的威爾金森功分器[2]。2020年有國外學者提出，給威爾金森功分器加以改良，利用耦合器將隔離電阻轉換類型，由于電路的寄生電阻問題，可以達到一個較高的隔離效果。2021年，Salman Maaz等人提出來了一種對Wilkinson功分器的改良版，該款功分器運用微帶線結構[3]。根據電路模型對缺陷接地結構進行等效設計，使用集總元件搭建可以得到其等效電路。Jamshidi Mohammad Behdad等人提出了一種可以降低威爾金森功分器面積的改進方法[4]，該設計方案將四分之一波長的傳輸線替換成了串聯的LC調諧電路，從而達到了改進。

2 分配合成器參數指標

微波射頻領域發展到如今，用于評價各類微波和功率器件的標椎已經被制定出，其中功率分配合成器的主要性能的參數指標如下：

工作頻帶：也稱為工作帶寬，用來表示器件能夠正常實現功能的頻率范圍，一般指能正常工作的最低頻點至最高頻點的范圍。有時也會用相對帶寬來表示，即最高頻率與最低頻率的差和中心頻率的比值。

輸入端口的回波損耗：在信號通過輸入端口時會有一小部分能量被反射回去，而回波損耗就是輸入端口的反射功率Pa與總輸入功率Pi的比值來描述，有時也會用散射系數S11來表示，具體的計算公式為：

輸出端口的隔離度：在通信系統中一般都要保證輸出端口要有足夠的隔離度，隔離度是指端口之間在信號傳輸時的相互干擾的劇烈程度，干擾越大隔離度越小。如果器件的隔離度不夠高，輸出信號會有很大的干擾而導致失真，要是在電路中運用多個器件，一個出問題可能就會導致整體電路的功能失靈。隔離度一般使用兩個支路的輸出功率Pb，Pc之比來表示，有時也用散射系數S23來描述，其具體的計算公式為：

插入損耗：一般情況下，功率信號經過功率器件作用后，由于器件本身材料和結構的不理想性，制作過程不可避免的失誤以及信號可能存在的輻射現象，使得最終信號產生一定量的損耗，這叫做插入損耗，簡稱插耗。通常使用兩個輸出端的輸出功率和輸入功率之比計算，還可以使用散射系數S21，S31進行計算，具體的公式為：

3 威爾金森功分器的設計

3.1 功分器電路圖的設計

本文ADS軟件對所的設計威爾金森功分器并進行優化和仿真。調用MSUB對微帶線基板厚度H、相對介電常數Er和損耗角正切Tan D的參數設計，然后計算28 GHz傳輸線的尺寸。

如圖1所示，為工作在28GHz威爾金森功分器的電路圖，通過計算，在E_Eff處設置90度，一般取值70.7 Ω，其中微帶線TL2、TL3、Tee1、Curve1和Curve2再加上TL4、TL5、TL6、TL7、Tee2、Tee3、Curve3和Curve4的長度根據阻抗變換后確定的長度，而輸入和輸出部分均不需要考慮阻抗變換的問題，長度上選取合適的值即可，R0為新加的隔離電阻。

圖1 威爾金森功分器電路圖

3.2 仿真及優化

電路的原理圖搭建完成后，選擇VAR控件，將新計算出的參數代入電路原理圖，輸入和輸出端口的傳輸線寬度為0.728 mm，四分之一傳輸線的長度應為1.99 mm，但被分為多端和實際工藝的誤差，所以總的長度與實際值有所差異，弧形傳輸線的半徑為0.214 mm，TL2、TL4、TL6的長度分別為0.67 mm、0.551 mm和0.1 mm，其寬度為0.284 mm，調試過后確定的隔離電阻值為128Ω。

對S參數進行仿真，結果如圖2所示。S21和S31仿真結果為-3.14 dB，如圖3所示，S22和S33仿真結果為-38 dB。仿真都達到了較好的結果。

圖2 S21和S31的仿真圖

圖3 S22和S33的仿真圖

3.3 版圖及后仿真

設計所生成的版圖如圖4所示，其中紫色部分為隔離電阻，藍色部分為微帶線。

圖4 威爾金森功分器版圖

在經過優化后對版圖進行EM仿真，其結果如圖5所示，S21和S31仿真結果為-3.24 dB，如圖6所示，S22和S33仿真結果為-27.8 dB，與前仿真結果大致滿足，誤差在允許范圍內。

圖5 S21和S31的仿真圖

圖6 S22和S33的仿真圖

4 結論

本設計的功分器的仿真結果表明：27GHz到29GHz之間的插入損耗小于3.3 dB，在相同頻域內它輸入端和輸出端的回波損耗分別大于22dB和25dB，而隔離度也能達到載頻域內高于30dB的水平。