基于传输线balun的低频Wilkinson功分器设计

胡文慧，吴云飞，綦胜田

(佳木斯大学 理学院，黑龙江 佳木斯 154007)

近年来，随着VHF/UHF频段的无线电应用技术的大量应用，如何研制该频段内的大功率、高效率、高线性度发射机，吸引了来自产业界和学术界科研人员的浓厚兴趣。为了获得更高等级的目标功率，往往需要将几个功放通过具有很低插损的功率合成电路进行功率合路。在实际电路中，用于高效率功放合路中的非隔离功率组合器将在两个合路放大器之间产生显著的相互干扰作用，从而导致不可预计的损耗。或者，有些应用中，为了保持功放要求的高线性度，采用有两个功放合路输入的合路器为具有隔离特性的合路器；然而这样做的后果是有可能降低整个发射机的整体效率[1],在设计过程中往往是几个参数之间的折中设计。在VHF/UHF频率范围内，合路器通常使用绕线变压器，集总元件和/或1/4波长变压器[2]的组合来进行设计制造。 线绕变压器构造的合路器通常在其自谐振频率处具有较大的插入损耗，这在一定程度上限制了它们的工作带宽。 同时，集总元件的最大功率能力有限，1/4波长变压器在低频时体积较大，从而使得在实际设计过程中很少使用集总元件和微带线进行设计。因此，作为一种可行的方案，各种铁氧体加载的同轴线段用于制造传输线变压器可以规避尺寸、带宽和最大功率等的相关约束。

本文首先分析加载铁氧体同轴线的相关等效电路中各个元件值的相关理论计算，然后使用AWR设计1款工作在200～1 000 MHz的二等分Wilkinson合路器，仿真表明：在200～1 000 MHz频率范围内，插损≤3.364 dB，隔离度≤-8 dB,输入输出反射系数≤-10 dB。

1 加载铁氧体的同轴线的等效模型

宽带加载铁氧体的同轴线的等效模型在之前已经得到大量的理论研究成果[3-5]。这里总结前人研究成果，考虑加载铁氧体之后的同轴线以及同轴线本身的寄生参数效应设计1种新的等效模型。

使用Debye模型[6]模拟61号铁氧体磁芯在其本征频率fc=40×106Hz处的典型频率，表征为

(1)

最后，加载铁氧体磁性的同轴线等效模型如图1所示。该电路模型考虑双口磁芯相对磁导率的实部和虚部引入的串联寄生电感(LF)和寄生电阻(RF)。串联寄生电感和寄生电阻的等效表达式分别为

(2)

(3)

式中：l为同轴线的线长，ω为工作角频率，r为同轴线的半径。

在图1的模型中，加入两个串联的电感L3和L4，该值为同轴线端口的寄生电感参数，这里选取L3=L4=3 nH.

图1 加载铁氧体磁芯的同轴线等效模型

图2 本文所提VHF/UHF宽带Wilkinson合路器结构

2 80～1 000 MHz 等分Wilkinson功分器仿真

如图2所示为工作在VHF/UHF频段的宽带Wilkinson功分器，其中，整个功分器分为两个部分：第一部分由3个加载有相对磁导率为800的磁芯的特征阻抗为37.5 Ω的同轴线构成，其中，由于37.5 Ω同轴线并不是标准同轴线，使用2个75 Ω并联同轴线等效替代，这里3个加载有磁芯的同轴线的长度等长，均为60 mm,这一部分的功能是将端口1的50 Ω变换到25 Ω端口，实现阻抗变换2∶1的特性转换。第二部分由两段长度为60 mm的加载有相对磁导率为800的磁芯的特征阻抗50 Ω的同轴线和1个介于两个同轴线输出端口之间的100 Ω隔离电阻构成，这部分即完成阻抗25 Ω到50 Ω的变换，同时实现Wilkinson功分器的基本构造。为了实现更好匹配，在输入端口1 和两个部分之间的阻抗变换处加入匹配电容，在端口2和端口3处加入开路线，调整匹配。

仿真结果如图3、图4、图5所示，其中，图3所示为所提功分器在1～1 000 MHz频率变换范围内插损、隔离度随频率变化情况。从图中可以看到，在1～1 000 MHz频率变化范围内，最大插损为-3.364 dB，可见该低频宽带功分器具有较小的插损。在整个频率变化范围内最小隔离度为-6.579 dB，如果缩小频率使用范围，可以看到在500～1 000 MHz二倍频范围内，隔离度≤-15 dB，其隔离度良好。与IPP公司的IPP-1205[7]相比，IPP的最大插损为-3.55 dB，可见本文所提结构在插损方面明显优于IPP-1205,并且从产品社会效益来看，本文设计结构的成本要低于直接购买IPP-1205的成本。

图3 1～1 000 MHz范围内插损、隔离度随频率变化情况

图4 1～1000 MHz范围内2、3端口相位随频率变化情况

图5 1～1000 MHz范围内3个端口回波损耗随频率变化情况

如图4所示为所提功分器在1～1000 MHz频率变换范围内端口2、3相位随频率变化情况，从图中可以看到，2个端口相位基本保持一致，设计仿真效果良好。如图5所示为所提功分器在1～1 000 MHz频率变换范围内3个端口回波损耗随频率变化情况，从图中可以看到，S11在整个频段内回波损耗均<-15 dB，而端口2和端口3在低频范围内效果较差，随着频率增大，其回波损耗逐渐改善。综上，本文设计了1款工作在200～1 000 MHz的低频宽带Wilkinson功分器，其各项指标基本达到设计要求。

3 结束语

本文首先介绍加载有磁性的同轴线的等效模型，然后使用AWR仿真1款工作在200～1 000 MHz的宽带低频Wilkinson功分器，并进行相关优化工作。仿真得到在200～1 000 MHz频率范围内，最大插损为-3.364 dB，隔离度≤-8 dB，输出端口相位变化情况基本一致，S11在整个频段内回波损耗均<-15 dB，S22和S33在整个频段内回波损耗均<-8.5 dB，其中，S22和S33效果略差，该项指标和带内插损以及端口输出之间匹配有关，本文权重在于带内插损情况，因而对S22和S33采取折中处理，整体而言设计指标较好。仿真表明，该宽带低频Wilkinson功分器在200～1 000 MHz的频率范围性能和设计指标都得到了良好的设计。同时，由于仿真设计达到了设计之初的设计要求，为今后实物验证提供了理论支撑。