一種新型懸置帶狀線大功率雙頻功分器的設計

李廷廷，谷德珍，楊曉慶

（四川大學電子信息學院，成都 610065）

0 引言

隨著現代無線通信技術的不斷進步與發展，高功率、大帶寬、低時延越來越成為發展的方向。功分器作為其中必不可少的器件起著重要的作用。wilkinson 功分器結構簡單，應用十分廣泛，但由于隔離電阻位于輸出端口之間，與Gysel 所提出的功分器相比，后者使用負載接地來實現端口間的隔離，具有良好的散熱能力，更適合應用于大功率場合。

近年來，對Gysel 功分器的研究熱度仍然不減。有從頻點對其進行研究的，也有考慮其帶寬進行研究設計的，還有一些是針對輸出路數進行研究的。這些文獻中都提到Gysel功分器適合應用在大功率場合，但都沒有涉及到其結構具體可應用的功率范圍。

本文首先提出了一種新型的雙頻Gysel 功分器結構，然后利用電路理論與傳輸線理論求解出相關參量。為了驗證所提出模型，設計了一款工作在2.45 GHz 和5.8 GHz 的大功率懸置帶狀線雙頻功分器，并且通過改變輸入功率的大小，對其溫度場與結構場進行仿真分析，得到該功分器可正常工作的大致功率范圍。

1 理論分析

圖1 描述了本文所提出的雙頻Gysel 功分器電路結構圖。與傳統的Gysel 功分器相比，它引入了一個具有兩個開路枝節的П 型結構，其中開路枝節的特征阻抗和電長度分別為，。這里定義2、3端口輸出的功率比為=，且=。從基本的電路理論可以得出：

圖1 新型雙頻Gysel功分器結構

當端口1激勵時，功率按照一定的比例分配到2、3 端口上，此時，電阻上是沒有功率損耗的，其等效電路圖如圖2 所示。從ABCD 矩陣的定義式可以得知：

圖2 端口1激勵時的等效電路

結合節點電壓可以得到：

特征阻抗和電長度分別為和的傳輸線兩端的電壓和流入的電流之間的關系可以表示為：

聯立（4）—（7）求解可以得到：

其中為自由變量，采用相同方法可以得到：1 =2且= 2(-)。

上述公式須在和都成立，所以有：

根據式（1）可以繪制出特征阻抗與頻率比的關系曲線，如圖3（a）、圖3（b）所示。

圖3 特征阻抗與頻率比關系曲線圖

2 設計與仿真

本次設計選用的是2.45 GHz 和5.8 GHz 兩個頻點。因為懸置帶狀線的功率容量大于普通的微帶線和帶狀線，所以選擇懸置帶狀線作為其傳輸線，支撐介質基板材料為F4B，介電常數為3，導熱系數約為0.8 W/（m.K）。根據所推導出來的公式，可以得到在2.45 GHz 時的電長度=53.4°，此 時== 48 Ω，取= 60 Ω，則= 80 Ω。由于支撐介質基板的引入，所以整體結構的等效相對介電常數有所改變，最終得到優化后的結構如圖4所示，其中== 4.8 mm，= 3.5 mm，= 1.6 mm，= 14.2 mm，=14.4 mm。

圖4 功分器整體模型

為了評估出該功分器可以應用的功率上限，主要從溫度和形變兩方面進行分析。在高輸入功率情況下，傳輸線會產生導體損耗，這部分損耗進一步轉化為熱量，最終導致結構產生形變影響功分器性能。

除了溫度和形變，還應將介質的擊穿場強納入考慮，由文獻［7］可知，空氣的擊穿場強約為4.56×10V/m，功分器腔體內部的場強應遠小于這個值。

當輸入功率為30 W 時，場強分布與導體表面損耗密度分布分別如圖5、圖6所示。

圖5 腔體內電場分布

圖6 導體表面損耗密度分布

可以發現電場強度最大為7.68×10V/m，最大損耗密度為2.566×10W/m，積分后可得損耗為0.166 W。

通過設置腔體表面換熱系數和腔體內的輻射換熱作為熱邊界條件，可以得到功分器的溫度分布如圖7。設置好約束條件，可以得到整體結構的形變分布如圖8。可以發現，最高溫度為34.6 ℃，出現在輸入端口附近，形變最大出現在金屬腔體上，為0.002 mm。因為腔體的形變對功分器的性能幾乎沒有影響，所以后文就只考慮功分器結構部分出現的最大形變。

圖7 30 W激勵下的溫度分布

圖8 30 W激勵下的形變分布

通過此種耦合方法，可以計算出不同輸入功率情況下的電場強度、溫度以及形變，如表1所示。

表1 不同輸入功率下的溫度與形變

從表1可以看出，如果功分器工作溫度不超過85 ℃，其在無任何外加散熱裝置的前提下可承受的最高輸入功率約為180 W。可通過此方法近似評估出功分器的功率應用范圍。

3 實驗結果

根據上節中所設計的模型，實物加工后利用矢量網絡分析儀進行測試，實物圖和得到結果如圖9所示。實測結果表明，該功分器在兩個中心頻點處的損耗分別小于0.35 dB 和0.58 dB，回波損耗均小于-19dB，隔離度分別為18dB 和23.8 dB，在2.45 GHz 和5.8 GHz 擁有良好的性能。

圖9 雙頻功分器實測與仿真對比

4 結語

本文提出了一種加載П 型結構的雙頻Gysel功分器，并根據此理論設計了一款大功率懸置帶狀線雙頻Gysel 功分器，然后通過多物理場仿真分析了不同輸入功率下，功分器的最高溫度以及形變。為功分器的實際可應用功率范圍提供了仿真指導。實驗表明，該功分器在兩個工作頻點均具有良好的性能。