新型小型化超宽带功率分配器❋

李魏，范海军，周希朗

新型小型化超宽带功率分配器❋

李魏，范海军，周希朗

（上海交通大学射频与微波技术研究中心，上海200240）

利用长为四分之一波长、两端交叉短路的对称耦合微带线和长为四分之三波长折叠微带线并联结构，提出一种新型小型化超宽带功率分配器。在等效传输线模型的基础上，采用奇偶模分解方法对其进行了理论分析，给出了参数设计方程。利用HFSS仿真优化一个微带结构的超宽带功率分配器。仿真和测量结果表明，通带内插入损耗小于2 dB，输入输出端口的回波损耗分别大于10 dB和7 dB，隔离度大于6 dB，高频带外插入损耗在13～20 GHz范围内大于20 dB。该结构尺寸仅为28 mm×32 mm，具有小型化的特点。

功率分配器；超宽带；奇偶模分解方法；对称耦合微带线

1 引言

自从美国联邦通信委员会（FCC）2002年公布超宽带标准以来，关于超宽带器件的研究逐渐增加。到目前为止，已经有很多设计超宽带天线和滤波器的文献［1－3］，但关于超宽带功率分配器的文献并不多。文献［4］通过级联多级威尔金森功率分配器来达到扩展频宽的目的，但这种结构尺寸太大而且使用了更多的电阻。文献［5］中使用微带线到槽线形成的T型结构，提出了一种小型化的异相超宽带功率分配器。文献［6］中采用了一对四分之一波长短路分支线和一对平行耦合线设计超宽带功率分配器，具有很好的带通性能和隔离度，但这种结构尺寸相对于现在的移动设备尺寸仍比较大。通过在两级级联的威尔金森功率分配器的两个分支上加入开路分支线，也可以实现超宽带功能［7］。文献［8］提出用多层微带线槽线耦合结构设计超宽带功率分配器，具有很好的带通性能和带外抑制性能，但是结构复杂，不利于加工。

本文采用长为四分之一波长、两端交叉短路的对称耦合微带线和长为四分之三波长的折叠微带线并联结构，设计出一种新型小型化超宽带功率分配器。两端交叉短路对称耦合微带线的引入不仅可以增加通带内的传输极点，还可以在带外引入传输零点。使用折叠微带线可以进一步减少结构尺寸。采用奇偶模分解方法对其进行理论分析，得到相应的设计方程。利用给出的初始设计参数对此功率分配器进行了仿真优化，最后加工成实物，仿真和测量结果具有很好的一致性。

2 设计原理

图1给出了本文所设计的功率分配器结构图。由于其结构的对称性，因此采用奇偶模分解方法［9］来分析它。

2.1 偶模分析

功率分配器的偶模等效电路如图2（a）所示。Y2和θ2分别表示折叠微带线的特性导纳和电长度，θc是对称耦合微带线的电长度。由于θ1较小，分析过程中忽略Y1。推导出此两端口网络的导纳矩阵［10］为

式中，Yo＋＝Yoe＋Yoo，Yo－＝Yoe－Yoo。Yoe和Yoo分别是对称耦合微带线的偶、奇模特性导纳。经过复杂的代数运算，端口1和2的输入导纳分别为

其中：

当Yein1＝Yp1、Yein2＝Yp2时，端口实现匹配。由θ2＝3θc＝1.5π，从式（2）可以得到：

2.2 奇模分析

功率分配器的奇模等效电路如图2（b）所示，得到端口2的输入导纳为

3 仿真与测试结果

本文采用相对介电常数为2.65、厚度为0.8 mm、损耗角正切为0.001的介质基片。利用上文中分析得到的特性阻抗计算出该结构的初始值，利用HFSS仿真优化得到最终的尺寸为：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。

加工出的实物如图3所示，尺寸为28 mm× 32 mm。仿真和测量结果如图4所示。

仿真的S11在3.1～10.6 GHz范围内均大于10 dB，实测的S11在3.6～11.1 GHz范围内大于10 dB，这种差异可能是由加工精度以及SMA接头的影响所致。实测的S21在3.6～8.9 GHz范围内小于1 dB，在8.9～11.1 GHz范围内小于2 dB。高频段插入损耗的增加与SMA接头以及微带线的色散效应有关。对称耦合微带线的引入导致S21的两边非常陡峭并且从13～20 GHz范围插入损耗都大于20 dB。S22在整个通带内均大于7 dB而S32则大于6 dB，输出端口之间的隔离度偏大可能是由于隔离电阻的高频效应引起的。

4 总结

本文提出了一种适用于超宽带应用、微带结构的小型化超宽带功率分配器。通过研究发现，对称耦合微带线的引入不仅可以增加通带内的传输极点还可以在带外引入传输零点。使用折叠微带线可以进一步减少结构尺寸。本文提出的超宽带功率分配器可望用于实际的超宽带移动通信系统，采用的分析方法对进一步研究其它新型功率分配器以及滤波器其有一定的参考价值。

参考文献：

［1］Sanchez-Soriano M A，Bronchalo E，Torregrosa-Penalva G. Compact UWB Bandpass Filter Based on Signal Interference Techniques［J］.IEEE Microwave Wireless Components Letters，2009，19（11）：692－694.

［2］Sun S，Zhu L，Tan H H.A Compact Wideband Bandpass Filter Using Transversal Resonator and Asymmetrical Interdigital Coupled lines［J］.IEEE Microwave Wireless Components Letters，2008，18（3）：173－175.

［3］Suh S Y，Stuzman W L，Davis W A.A New Ultra-Wide Band Printed Monopole Antenna：the-Planar Inverted Cone Antenna［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2004，52（5）：1361－1365.

［4］Wilkinson E.An n-way Hybrid Power Divider［J］.IRE Transactions on Microwave Theory and Techniques，1960，8（1）：116－118.

［5］Bialkowski M E，Abbosh A M.Design of a Compact UWB Out-of-Phase Power Divider［J］.IEEE Microwave Wireless Components Letters，2007，17（4）：289－291.

［6］WONG S W，ZHU L.Ultra-wideband Power Dividers with Good Isolation and Sharp Roll-off skirt［J］.IET Microwaves Antennas and Propagation，2009，3（8）：1157－1163.

［7］QU Xing-ping，CHU Qing-xin.A Modified Two-Section UWB Wilkinson Power Divider［C］／／Proceedings of 2008 International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology.Nanjing，China：IEEE，2008：1258－1260.

［8］Song Kai-jun，Xue Quan.Novel Ultra Wideband（UWB）Multilayer Slotline Power Divider with Bandpass Response［J］.IEEE Microwave Wireless Components Letters，2010，20（1）：13－15.

［9］Pozar D.Microwave Engineering［M］.3rd ed.New York：Wiley，2005.

［10］Zysman G L，Johnson A K.Coupled Transmission Line Networks in an Inhomogeneous Dielectric Medium［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，1969，17（10）：753－759.

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

范海军（1986－），男，江苏南通人，2008年于电子科技大学应用物理专业获学士学位，现为上海交通大学射频与微波技术研究中心硕士研究生，主要研究领域为微波无源器件小型化；

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，江苏徐州人，教授、博士生导师，主要研究领域为微波、毫米波集成电路。

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年于吉林大学获电子信息科学与技术专业学士学位，现为上海交通大学射频与微波技术研究中心硕士研究生，主要研究领域为射频、微波电路；

1001－893X（2011）02－0098－04

2010－11－12；

2010－12－15

国家重点基础研究发展规划（973计划）项目（2009CB320204）；国家自然科学基金资助项目（60821062）