一种新型双频Wilkinson 功分器的设计

周银磊,吴国安

(华中科技大学 电子科学与技术系, 武汉430074)

1 引 言

功率分配器作为基础的微波器件在微波和毫米波系统中获得了广泛的应用。传统的Wilkinson 功分器只能工作在单一的频点和其奇次谐波处[1]。随着多频通信系统的日益普及,频率复用器件的研究成为热点。近年来,多种不同结构的双频功分器陆续报道出来[2-6]。文献[2]介绍了利用两段传输线在任意两个频点实现阻抗变换的方法。文献[3] 利用双频阻抗变换原理设计了一个双频功分器,但设计没有考虑传输线相位匹配,端口隔离度比较差。文献[4]通过在输出端口增加电容和电感实现了相位匹配,但是分立元件的值均固定且精度较低,难以满足实际设计的要求。文献[5]通过在功分器输入端增加开路传输线较好地实现了输出端口隔离,但是尺寸较大(开路传输线长度为1/2 波长),限制了应用。文献[6]改进了文献[5] 提出的设计,调整了输出端口的位置,有效减小了器件尺寸。

本文提出了一种新的双频功分器,该功分器具有如下的特点:分布参数结构(隔离电阻除外);良好的传输和端口匹配隔离特性;可调整的版图布局;整体结构有利于减小寄生效应。通过奇偶模分析方法,利用微波网络理论推导电路参数的设计公式,然后利用微波仿真软件对电路进行仿真并制作了实物。仿真和实物测试结果验证了本文推导结果的正确性,同时表明功分器能够很好地工作在设计的两个频段内。

2 设计与理论分析

图1 给出了双频功分器的原理图,由微带线和隔离电阻组成,其中Z1、Z2、Z 3为微带线的特征阻抗,R 为隔离电阻, θ为电长度。电路结构是完全对称的,因此可以采用奇偶模分析方法来获得具体的电路参数。

图1 双频功分器原理图Fig.1 Proposed dual-band power divider topology

2.1 偶模分析

偶模激励条件下,其半边等效电路如图2(a)所示,ABCD 矩阵可以表示为

为了满足阻抗变换,Port2 的阻抗Z 0必须变换到Port1 的阻抗2Z0,故从Port1 看进去的输入阻抗Z in可由下式表示:

根据式(1)、(2),通过代数运算,可得Z 1、Z 2、Z3、θ满足以下关系:

图2 功分器半边等效电路Fig.2 Half-circuit of power divider

2.2 奇模分析

奇模激励条件下,其等效半边电路如图2(b)所示,其阻抗ZA、ZB 、Z C可由以下3 个公式表示:

为了满足阻抗匹配,ZB 、ZC必须满足以下等式:

经过改写,可得

2.3 双频分析

假定功分器的工作频率分别为f 1和f2(其中f 2>f1),f2=Kf1(K 为中心频率比值)。为了满足双频工作的需要,以上推导公式应该在给定的两个频率同时成立。只需取即可满足tan2θf1=tan2θf2。这样在两个中心频率点,推导公式(3)、(4)、(9)、(10)同时成立,满足双频工作的要求。

联立式(3)、(4)、(9)、(10),根据给定工作频率比值K ,求解非线性方程组,可以求出电路参数Z1、Z 2、Z 3、R 。图3 显示了Z 1、Z 2、Z 3、R 与不同频率比值K 之间的变化关系(其中Z1、Z2、Z3、R 均为归一化阻抗)。由图3可知,在比较宽的频率比值范围内(2.2 ～5.0),双频功分器都能用切合实际的微带线和隔离电阻实现。

图3 特征阻抗与频率比值K 之间的关系Fig.3 Characteristic impedances(normalized)against K

3 仿真与实物测试

为了验证上述设计方法,设计制作了一个工作频率为1 GHz和2.6 GHz的双频功分器,实物如图4所示,其中基板为TLY-5(介电常数εr=2.2, 基板厚度H=0.78 mm, 铜箔厚度T=35 μm),所有的端口阻抗为50 Ψ。通过求解非线性方程组(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对应的电长度为θf1=通过微波仿真软件的微带线计算工具,可以得到各段微带线的宽度和长度。利用微波仿真软件仿真和实测(矢量网络分析仪Advantest R3767CG 测试)得到的结果如图5 所示。实测结果表明,中心频率点插入损耗S 21 小于3.3 dB,各端口的回波损耗S11、S 22 均大于21 dB,端口隔离度S23大于28 dB。综合实测数据,本次设计的功分器在中心频率100 MHz带宽内满足插入损耗小于3.5 dB,端口隔离和回波损耗大于14 dB,显示了良好的性能。测试结果与文献[5]相比,插入损耗和回波损耗性能指标相近,端口隔离度更优,并且本次设计仿真结果和实测结果吻合好,容差小,更能指导设计工作。

图4 1 GHz/2.6 GHz 双频功分器实物图Fig.4 Photo of fabricated power divider operating at 1 GHz and 2.6 GHz

图5 双频功分器S 参数仿真和实测结果Fig.5 Simulation and measurement results of S -parameters for proposed dual-band power divider

4 结 论

本文介绍了一种新的双频功分器的结构和设计方法,通过电路模型仿真和实物测试验证了设计方法的可行性。设计的功分器具有良好的信号传输、端口匹配和隔离特性,并且采用平面微带结构,具有设计精确灵活的特点。通过调整版图设计,可以有效地减小器件体积,广泛地应用到各种射频电路中。

[ 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.