一种新型悬置带状线大功率双频功分器的设计

李廷廷，谷德珍，杨晓庆

（四川大学电子信息学院，成都 610065）

0 引言

随着现代无线通信技术的不断进步与发展，高功率、大带宽、低时延越来越成为发展的方向。功分器作为其中必不可少的器件起着重要的作用。wilkinson 功分器结构简单，应用十分广泛，但由于隔离电阻位于输出端口之间，与Gysel 所提出的功分器相比，后者使用负载接地来实现端口间的隔离，具有良好的散热能力，更适合应用于大功率场合。

近年来，对Gysel 功分器的研究热度仍然不减。有从频点对其进行研究的，也有考虑其带宽进行研究设计的，还有一些是针对输出路数进行研究的。这些文献中都提到Gysel功分器适合应用在大功率场合，但都没有涉及到其结构具体可应用的功率范围。

本文首先提出了一种新型的双频Gysel 功分器结构，然后利用电路理论与传输线理论求解出相关参量。为了验证所提出模型，设计了一款工作在2.45 GHz 和5.8 GHz 的大功率悬置带状线双频功分器，并且通过改变输入功率的大小，对其温度场与结构场进行仿真分析，得到该功分器可正常工作的大致功率范围。

1 理论分析

图1 描述了本文所提出的双频Gysel 功分器电路结构图。与传统的Gysel 功分器相比，它引入了一个具有两个开路枝节的П 型结构，其中开路枝节的特征阻抗和电长度分别为，。这里定义2、3端口输出的功率比为=，且=。从基本的电路理论可以得出：

图1 新型双频Gysel功分器结构

当端口1激励时，功率按照一定的比例分配到2、3 端口上，此时，电阻上是没有功率损耗的，其等效电路图如图2 所示。从ABCD 矩阵的定义式可以得知：

图2 端口1激励时的等效电路

结合节点电压可以得到：

特征阻抗和电长度分别为和的传输线两端的电压和流入的电流之间的关系可以表示为：

联立（4）—（7）求解可以得到：

其中为自由变量，采用相同方法可以得到：1 =2且= 2(-)。

上述公式须在和都成立，所以有：

根据式（1）可以绘制出特征阻抗与频率比的关系曲线，如图3（a）、图3（b）所示。

图3 特征阻抗与频率比关系曲线图

2 设计与仿真

本次设计选用的是2.45 GHz 和5.8 GHz 两个频点。因为悬置带状线的功率容量大于普通的微带线和带状线，所以选择悬置带状线作为其传输线，支撑介质基板材料为F4B，介电常数为3，导热系数约为0.8 W/（m.K）。根据所推导出来的公式，可以得到在2.45 GHz 时的电长度=53.4°，此 时== 48 Ω，取= 60 Ω，则= 80 Ω。由于支撑介质基板的引入，所以整体结构的等效相对介电常数有所改变，最终得到优化后的结构如图4所示，其中== 4.8 mm，= 3.5 mm，= 1.6 mm，= 14.2 mm，=14.4 mm。

图4 功分器整体模型

为了评估出该功分器可以应用的功率上限，主要从温度和形变两方面进行分析。在高输入功率情况下，传输线会产生导体损耗，这部分损耗进一步转化为热量，最终导致结构产生形变影响功分器性能。

除了温度和形变，还应将介质的击穿场强纳入考虑，由文献［7］可知，空气的击穿场强约为4.56×10V/m，功分器腔体内部的场强应远小于这个值。

当输入功率为30 W 时，场强分布与导体表面损耗密度分布分别如图5、图6所示。

图5 腔体内电场分布

图6 导体表面损耗密度分布

可以发现电场强度最大为7.68×10V/m，最大损耗密度为2.566×10W/m，积分后可得损耗为0.166 W。

通过设置腔体表面换热系数和腔体内的辐射换热作为热边界条件，可以得到功分器的温度分布如图7。设置好约束条件，可以得到整体结构的形变分布如图8。可以发现，最高温度为34.6 ℃，出现在输入端口附近，形变最大出现在金属腔体上，为0.002 mm。因为腔体的形变对功分器的性能几乎没有影响，所以后文就只考虑功分器结构部分出现的最大形变。

图7 30 W激励下的温度分布

图8 30 W激励下的形变分布

通过此种耦合方法，可以计算出不同输入功率情况下的电场强度、温度以及形变，如表1所示。

表1 不同输入功率下的温度与形变

从表1可以看出，如果功分器工作温度不超过85 ℃，其在无任何外加散热装置的前提下可承受的最高输入功率约为180 W。可通过此方法近似评估出功分器的功率应用范围。

3 实验结果

根据上节中所设计的模型，实物加工后利用矢量网络分析仪进行测试，实物图和得到结果如图9所示。实测结果表明，该功分器在两个中心频点处的损耗分别小于0.35 dB 和0.58 dB，回波损耗均小于-19dB，隔离度分别为18dB 和23.8 dB，在2.45 GHz 和5.8 GHz 拥有良好的性能。

图9 双频功分器实测与仿真对比

4 结语

本文提出了一种加载П 型结构的双频Gysel功分器，并根据此理论设计了一款大功率悬置带状线双频Gysel 功分器，然后通过多物理场仿真分析了不同输入功率下，功分器的最高温度以及形变。为功分器的实际可应用功率范围提供了仿真指导。实验表明，该功分器在两个工作频点均具有良好的性能。