基于非均匀传输微带线设计Wilkinson功分器

张雅兰,刘九菊

(西安邮电大学 电信工程研究所,陕西 西安 710061)

基于非均匀传输微带线设计Wilkinson功分器

张雅兰,刘九菊

(西安邮电大学 电信工程研究所,陕西 西安 710061)

在微带线基本理论的基础上,采用非均匀传输微带线研究设计了新型Wilkinson功分器有。运用阻抗匹配、奇偶模分析的方法,对基于非均匀传输微带线的Wilkinson功分器进行理论分析,并通过ADS2008(Advanced Design System 2008)软件的设计、仿真和优化得到了相关数据参数,设计制作了一款3.1～10.6 GHz范围内的非均匀传输微带线Wilkinson功分器,从而成功地实现了小型化、低功耗Wilkinson功分器。

非均匀传输微带线;小型化;功分器;Advanced Design System 2008

在现代微波电路中,微波功率分配器是必不可少的部分[1-2],其中,Wilkinson功分器因其具有良好的幅度相位特性和简洁的设计,被认为是微波电路设计中重要的器件之一。近年来,紧凑型多频Wilkinson功分器及紧凑型超宽带Wilkinson功分器是理论研究的方向,文献[3]中指出,有关Wilkinson功分器的研究主要致力于降低整体电路区域大小,而非均匀传输线作为电路小型化的主要手段在文献[4～5]中提及。本文立足于奇偶模理论,用非均匀传输线代替传统均匀微带线设计Wilkinson功分器,从而实现功分器的小型化和紧凑化。

1 理论分析与设计

非均匀传输线超宽带Wilkinson等分功分器原理如图1所示,每段均匀传输线被一定特性阻抗的非均匀传输线代替。图2利用非均匀传输线Wilkinson等分功分器的偶模理论,确定非均匀传输线的阻抗与微带线带宽之间的关系,从而确定Wilkinson等分功分器两个分支的形状。图3则利用非均匀传输线Wilkinson等分功分器的奇模理论确定隔离电阻大小,并满足输出端口的隔离与匹配。

图1 非均匀传输线超宽带Wilkinson等分功分器原理图

1.1 偶模电路分析

偶模电路分析如图2电路上下对称,可分为上下相同两部分,在端口Port1和Port2上分别加上等压、等幅的电压,此时隔离电阻上无电流通过。

图2 偶模分析

其中

Ai=Di=cos(Δθ)

(1)

Bi=Z2((i-0.5)Δz)Ci=jZ((i-0.5)Δz)sin(Δθ),i=1,2,…,K

(2)

(3)

(4)

式中,εr为接地电介质基板的相对介电常数;d为基板厚度;w为基板宽度。

非均匀传输线的特性阻抗由截短的傅里叶展开式[8]表达为

(5)

(6)

(7)

(8)

1.2 奇模电路分析

隔离电阻的数值可通过分析奇模电路得到,图3为奇模电路回路,Port2和Port3端口加等幅反相的电压,沿电路中线电压为0,其等效为中心平面接地将电路一分为二,在这种激励模式下,所有功率均传送至中间隔离电阻R1/2,R2/2,R3/2上,此时没有功率传送至Port1上。

图3 奇模分析

则可得

2 结果与分析

根据上述理论分析可以设计一个超宽带功分器,输入、输出口特性阻抗为50 Ω,基板材料为聚四氟乙烯,相对介电常数2.65,基板厚度为1.5 mm,正切损耗角0.002 7,隔离电阻从左至右依次是155 Ω,330 Ω和85 Ω。根据上述理论用ADS设计得到3.1～10.6 GHz超宽带Wilkinson功分器,其版图设计如图4所示。

图4 Wilkinson功分器版图

图5 版图仿真结果

图6中使用的隔离电阻R1、R2、R3分别为150Ω、330Ω和82Ω。利用AgilentTechnologiesE5071C矢量网络分析仪测试,得到的结果如图7所示。

图6 Wilkinson功分器实物图

图7 实物测试结果

从图7中可看出,实际测量结果中,在3.1～10.6GHz频段范围内,输入端回波损耗S11在3.1～8GHz时为-10dB以下,8～10.6GHz在-5dB以下;输出端回波损耗S22在3.1～6GHz时为-10dB以下,在6～10.6GHz时为-5dB以下;插入损耗S21在-3.1～-5dB之间,这个数值与理论值-3dB极为接近,上述各项理论指标符合工程应用要求。该超宽带尺寸为26mm×19mm,与能达到同种理论指标的传统Wilkinson功分器结构相比,非均匀传输微带线结构紧凑、尺寸小,顺应了当前微波电子器件发展需求,有较好的实用价值。

3 结束语

基于传统微带线Wilkinson功分器奇偶模分析理论,论述了基于非均匀传输线设计实现Wilkinson功分器的理论,在此基础上设计实现了3.1～10.6GHz的基于非均匀传输微带线的小型化超宽带Wilkinson功分器,该功分器与以往传统微带线设计的功分器以及非均匀传输线设计的功分器相比,尺寸更小,具有一定的优势。然而,该超宽带Wilkinson功分器在3.1～10.6GHz频带范围内仅有个别频带理论指标能达到-10dB以下,若可将整个频带范围内的回波损耗、插入损耗以及隔离度均降低至-10dB以下是下一步的研究方向。

[1] 张毅,陈明,张晨露,等.基于粒子群算法的三频Wilkinson功分器优化设计[J].微波学报,2013,29(2):1-4.

[2]ShamailehK,QarootA,DibN,etal.DesignandanalysisofmultifrequencyWilkinsonpowerdividersusingnon-uniformtransmissionlines[J].InternationalJournalRFandMicrowaveComputer-AidedEngineering,2011,1(21):526-533.

[3]ShamailehK,DibNI.Designofcompactdual-frequencyWilkinsonpowerdividerusingnon-uniformtransmissionlines[J].ProgressInElectromagneticsResearchC,2011(19):37-46.

[4]HosseiniF,HosseiniMKA,YazdaniM.Tocompactringbranch-linecouplerusingnon-uniformtransmissionline[J].MicrowaveandOpticalTechnologyLetters,2009,51(11):2679-2682.

[5]Khalaj-AmirhosseiniM.AnalysisofcouplednonuniformtransmissionlinesusingTaylor’sseriesexpansion[J].IEEETransactionsonElectromagneticCompatibility,2006,48(3):536-544.

[6]KhairShamaileh,MohammadAlmalkawi,VijayDevabhakeuni.Non-uniformtransmissionlineultra-widebandwilkinsonpowerdivider[J].ProgressinElectromagneticsResearchC,2013,44(3):1-11.

[7]Khalaj-AmirhosseiniM.Analysisofcouplednonuniformtransmissionlinesusingfourierseriesexpansion[J].InternationalJournalofRFandMicrowaveComputer-AidedEngineering,2007,17(3):345-352.

[8]Khalaj-AmirhosseiniM.AnalysisofnonuniformtransmissionlinesusingTaylor’sseriesexpansion[J].InternationalJournalofRFandMicrowaveComputer-AidedEngineering,2006,16(2):536-544.

Design of a Wilkinson Power Divider Based on the Nonuniform Transmission Microstrip Line

ZHANG Yalan,LIU Jiuju

(Institute of Telecommunication Engineering,Xi’an University of Posts & Telecommunications,Xi’an 710061,China)

On the basis of the fundamental theories of the microstrip line,this paper designs a new Wilkinson power divider using the nonuniform transmission microstrip line.The divider is theoretically analyzed by impedance matching and odd and even model analysis.Related data parameters are obtained through the design,simulation and optimization of ADS2008(Advanced Design System 2008),and a Wilkinson power divider based on the nonuniform transmission microstrip line is designed within the range of 3.1～10.6 GHz.Thus a miniaturized Wilkinson power divider with low power dissipation is realized.

non-uniform transmission microstrip line;miniaturization;power divider;advanced design system 2008

2014- 10- 27

张雅兰(1986—),女,硕士研究生。研究方向:物理电子学。E-mail:zhuiyang2006@163.com。刘九菊(1988—),女,硕士研究生。研究方向:电子信息与工程。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.05.021

TN817

A

1007-7820(2015)05-071-03