双频段应用功率分配器的分析与设计

1 引言  

现今无线通信市场中，由于多种通信标准的共存以及频段资源的紧张导致了频段划分的不连续性，在一些应用如GSM及GPS中，为了简化微波电路的结构以节约成本并减小设备尺寸，需要应用能工作在双频甚至多频的微波电路模块。微波功率分配器是一种将输入信号功率分成相同或不同比例的几路功率输出的多端口微波网络。各类不同种类的功率分配器在平衡放大器，高功率传输器，以及阵列天线反馈网络中有着广泛的应用，其中Wilkinson功率分配器由于结构简单成为很多设计师的首选。由λ0／4微带传输线组成的阶梯式双频段阻抗变换器已有文献给出了精确的解析方程，采用这一方法可用来实现任意双频率的阻抗变换。  

文献采用上述方法设计了一个双频段功分器，但有较大的输出回波损耗，并且隔离度较大。文献通过为隔离电阻并联两个集总元件(电感和电容)来达到提高输出性能的目的。本文拟采用在输入端并联分布元件的方法来达到类似目的，故此设计了一个工作在1 GHz和2.6 GHz的双频段功分器对这一方法进行讨论研究。  

2 理论分析与设计  


  
将图2中各元件(微带结构)看为二端口网络，通过应用各自的ABCD矩阵，可得该双频段阻抗变换器的矩阵方程如下：  




  
上式定义的并联微带支节可由短路支节(在中心频点f0处的电长度为90°或开路支节(在中心频点f0处的电长度为180°)实现。短路支节尺寸小，但需要接地过孔，而开路支节尺寸较大，不需要接地过孔。本论文设计采用短路支节，因为尺寸为主要考虑问题。  

由于上下两个分支相同的短路支节为并联关系，根据传输线理论，有以下等式成立：  


  
其中Zs为此短路支节的特征阻抗，θ为短路支节的电长度，在频率f1和f2处，其值分别为：  


  
将式(9)，式(11)，式(12)代入式(10)，经化简运算可解得：  


  
以上便全部给出了该设计方案所需全部参量的完备闭合解析式。  

3 实践设计与分析  

由于Rogers RO4003高频线路板材既具有聚四氟乙烯玻纤基材类似的高频性能，又具有FR4基材类似的容易加工的特点，本文选用了0.81 mm厚的该种板材，其相对介电常数为3.38，导体厚度为17 μm。在50 Ω系统(Z0=50 Ω)中，我们仿真研究了一个工作在f1=1 GHz，f2=2.6 GHz的双频段功率分配器的性能。其中100 Ω的隔离电阻采用ADS商用软件提供的TFR(Thin Film Resistor)模型。  


  
利用ADS提供的微带传输线计算工具，根据工作频率和板材属性可以精确求得各微带传输线的宽度。由于版图布局的紧凑，各微带线间的耦合效应对最终电路的性能有很大影响，当进行完电路级的仿真后需要使用ADS的2.5维仿真工具Momentum进行版图级的仿真。对于仿真性能的恶化，需要使用优化工具多次试验使结果达到最优化，最后生成电路板图如图3所示。  


  
以下结果为最终优化值，图4所示为端口1的回波损耗，可以看出在中心频点处均小于-30 dB。  


  
图5和图6分别为该功率分配器的插入损耗和隔离度，同样在双频段的中心频点处性能均比较优良。  


  
4结 语  

本文基于经典的Wilkinson功率分配器结构，通过引入阶梯阻抗变换器试验研究了一种新型的双频段功分器，取得了良好的性能。然而由于该功率分配器的主体结构由微带线构成，在较低的频段尺寸较大，本例版图尺寸约为65 mm×40 mm，不符合集成化小型化的要求，可以通过采用弯曲微带线或集总元件替代法来减小电路的尺寸。