一种28 GHz功分器的设计

任 建* 郭国发 赵 冰 郑艳娜

（沈阳工业大学信息科学与工程学院，辽宁 沈阳 110870）

1 概述

随着5G毫米通信技术的发展，一种高性能的功率分配器变得至关重要，该器件不仅要有高带宽、低功耗以及指数更大的隔离参数，还需在幅频特性和相频特性方面有良好的性能。所以一个高带宽和低功耗的功率分配器变得非常重要。

本文采用微带线设计了一款能够工作在28 GHz的两路威尔金森功率分配器，带宽范围为27-29 GHz。近年来，国内外许多学者对功率分配器的研究取得了很好的进展。L.Guo，J.Li等人于2019年提出了一种合成器结构，该结构由三级合成器结构相互连接而成，最终形成一款八路的功率合成器[1]，此结构隔离度足够高，便于器件的集成。杨晶晶等人同样利用多节功分器的连接设计了一款拥有6 GHz带宽的威尔金森功分器[2]。2020年有国外学者提出，给威尔金森功分器加以改良，利用耦合器将隔离电阻转换类型，由于电路的寄生电阻问题，可以达到一个较高的隔离效果。2021年，Salman Maaz等人提出来了一种对Wilkinson功分器的改良版，该款功分器运用微带线结构[3]。根据电路模型对缺陷接地结构进行等效设计，使用集总元件搭建可以得到其等效电路。Jamshidi Mohammad Behdad等人提出了一种可以降低威尔金森功分器面积的改进方法[4]，该设计方案将四分之一波长的传输线替换成了串联的LC调谐电路，从而达到了改进。

2 分配合成器参数指标

微波射频领域发展到如今，用于评价各类微波和功率器件的标椎已经被制定出，其中功率分配合成器的主要性能的参数指标如下：

工作频带：也称为工作带宽，用来表示器件能够正常实现功能的频率范围，一般指能正常工作的最低频点至最高频点的范围。有时也会用相对带宽来表示，即最高频率与最低频率的差和中心频率的比值。

输入端口的回波损耗：在信号通过输入端口时会有一小部分能量被反射回去，而回波损耗就是输入端口的反射功率Pa与总输入功率Pi的比值来描述，有时也会用散射系数S11来表示，具体的计算公式为：

输出端口的隔离度：在通信系统中一般都要保证输出端口要有足够的隔离度，隔离度是指端口之间在信号传输时的相互干扰的剧烈程度，干扰越大隔离度越小。如果器件的隔离度不够高，输出信号会有很大的干扰而导致失真，要是在电路中运用多个器件，一个出问题可能就会导致整体电路的功能失灵。隔离度一般使用两个支路的输出功率Pb，Pc之比来表示，有时也用散射系数S23来描述，其具体的计算公式为：

插入损耗：一般情况下，功率信号经过功率器件作用后，由于器件本身材料和结构的不理想性，制作过程不可避免的失误以及信号可能存在的辐射现象，使得最终信号产生一定量的损耗，这叫做插入损耗，简称插耗。通常使用两个输出端的输出功率和输入功率之比计算，还可以使用散射系数S21，S31进行计算，具体的公式为：

3 威尔金森功分器的设计

3.1 功分器电路图的设计

本文ADS软件对所的设计威尔金森功分器并进行优化和仿真。调用MSUB对微带线基板厚度H、相对介电常数Er和损耗角正切Tan D的参数设计，然后计算28 GHz传输线的尺寸。

如图1所示，为工作在28GHz威尔金森功分器的电路图，通过计算，在E_Eff处设置90度，一般取值70.7 Ω，其中微带线TL2、TL3、Tee1、Curve1和Curve2再加上TL4、TL5、TL6、TL7、Tee2、Tee3、Curve3和Curve4的长度根据阻抗变换后确定的长度，而输入和输出部分均不需要考虑阻抗变换的问题，长度上选取合适的值即可，R0为新加的隔离电阻。

图1 威尔金森功分器电路图

3.2 仿真及优化

电路的原理图搭建完成后，选择VAR控件，将新计算出的参数代入电路原理图，输入和输出端口的传输线宽度为0.728 mm，四分之一传输线的长度应为1.99 mm，但被分为多端和实际工艺的误差，所以总的长度与实际值有所差异，弧形传输线的半径为0.214 mm，TL2、TL4、TL6的长度分别为0.67 mm、0.551 mm和0.1 mm，其宽度为0.284 mm，调试过后确定的隔离电阻值为128Ω。

对S参数进行仿真，结果如图2所示。S21和S31仿真结果为-3.14 dB，如图3所示，S22和S33仿真结果为-38 dB。仿真都达到了较好的结果。

图2 S21和S31的仿真图

图3 S22和S33的仿真图

3.3 版图及后仿真

设计所生成的版图如图4所示，其中紫色部分为隔离电阻，蓝色部分为微带线。

图4 威尔金森功分器版图

在经过优化后对版图进行EM仿真，其结果如图5所示，S21和S31仿真结果为-3.24 dB，如图6所示，S22和S33仿真结果为-27.8 dB，与前仿真结果大致满足，误差在允许范围内。

图5 S21和S31的仿真图

图6 S22和S33的仿真图

4 结论

本设计的功分器的仿真结果表明：27GHz到29GHz之间的插入损耗小于3.3 dB，在相同频域内它输入端和输出端的回波损耗分别大于22dB和25dB，而隔离度也能达到载频域内高于30dB的水平。