Miniaturized Power Divider with Planar Stub Structures

R.El-Bouslemti, Ecole Nationale Polytechnique d'Oran, Algeria and F. Salah-Belkhodja, Djillali Liabes University, Algeria

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两款新设计的微带威尔金森功率分配器采用短截线结构，实现了小型化。该分配器工作在2.5GHz，只占用15.6×17.6 mm的面积。实测和仿真结果之间有很好的一致性，证明了相对于经典设计的性能改进。

用于毫米波频率的波导传输线最近在许多应用中被平面结构取代。^1-3 平面结构已被证明是实用的，因为有可能在其表面添加有源或无源器件，将无源器件集成到电路中是未来设备和系统小型化的主要目标。

平面结构的微带和带状传输线具有理想的特性，如成本低、重量轻、体积小、兼容集成电路、可靠性更高和良好的可重复性。^3,4 最常见的是微带，^4,5 它的一面（即地平面）是完全金属化的电介质基底，另一面是金属带。

平面功分器的主要优点是易于与其他技术集成，并能承受相对较高的功率。其平面结构支持批量加工，降低了制造成本。它表现出良好的端口对端口的隔离和适度的损耗。一个缺点是设计中通常需要一个四分之一波长（λ/4）的传输线。

最流行的功率分配器结构是威尔金森结构（图1）。⁴ 它是由一个与特征阻抗Z₀相匹配的输入端口，两条特征阻抗Z=√2Z₀的λ/4线和两个与Z₀相匹配的输出端口组成。一个电阻（R=2Z₀）连接两个输出端口，以处理输出功率不平衡的问题。⁵ 多年来，人们采用了不同的技术来缩少经典威尔金森结构的尺寸，包括使用平面人工传输线⁶、缺陷地面结构⁷、分形结构⁸、电容性负载⁹、集总元件¹⁰和短截线^11-13。本项工作使用了短截线。

图1 功率分配器信号流（a）和威尔金森结构（b）。

微带功率分配器的设计

经典的威尔金森功率分配器是介电基底上的一条微带线（图2）。本文提出的带短截线的微带功率分配器如图3。

图2 经典的威尔金森功率分配器结构。

图3 带短截线的微带功率分配器（a），短截线单元（b），带开放短截线的功率分配器（c）和带交叉短截线的功率分配器（d）。

有几个参数表征了微带传输线和功率分配器的性能。假设是准TEM传播模式，¹⁴ 微带中的相位速度由以下公式给出：

c是光速，ε_eff是有效相对介电常数，对于微带线来说，通常为2.9。¹⁵ 传输线的特征阻抗Z₀由以下公式给出：¹⁴

W⁄h≥1，W是导电线的宽度（图3），h是电介质基底的高度。

在微带中，只有主导的（即准TEM）模式在传播。表面波是不想要的，因为它们与准TEM模式耦合。它们只有在频率为f_s时才变得重要：²

通过在低于第一个高阶模式的截止频率的频率下工作，可以避免高阶模式的激励，该频率为：¹⁶

在实践中，微带线的工作频率是由：¹⁴

并通过以下方式计算得到的：

最终设计参数和仿真

图3显示了分配器原型的平面设计。它是一个具有平面输入/输出端口的半三板(half tri-plate)环形器结构¹⁷。这项工作的目标之一是在输入/输出端口实现接近50Ω的特征阻抗。根据耦合角和中心圆半径，输入/输出线的宽度W如下：

输入/输出端口线的宽度调整为W=3mm，以达到50Ω的特征阻抗。使用Ansoft HFSS对表1中的参数进行优化，两个功率分配器的仿真结果见图4。

图4 带有开放（a）和交叉（b）短截线的功率分配器的仿真频率响应。

分配器原型很容易制造。它们所占的面积分别只有15.6×18.8毫米和15.6×17.6毫米，与经典的威尔金森分配器相比，尺寸缩小了约93%。

实验结果

功率分配器原型是在FR4基板上制作的（ε_r=4.5，h=1.6mm）。图5显示了制作的原型和传统的威尔金森功率分配器。在两个输出端口之间放置了一个表面贴装电阻以提高隔离度。测量时使用了Keysight E5071C网络分析仪，图6-9比较了实测和仿真的性能，两者之间有良好的一致性。在两个原型的实测性能中几乎没有观察到差异。在工作频率上，|S₂₁|和|S₃₁|都在-3.4dB左右。开放(open-ended)和交叉(cross-ended)短截线分配器的|S₁₁|分别为-25.75dB和-27.64 dB；输出端口之间的耦合|S₂₃|则分别是-26.35 dB和-28.25 dB。图10显示了分配器原型输出端口之间的实测相位差。在2.5GHz的工作频率范围内，输出相位差为0度。

图5 经典威尔金森功率分配器（左）与2.5GHz短截线负载功率分配器（右）。

图6 开放短截线功率分配器原型的实测与仿真的反射性能：|S₂₂|（a），|S₃₃|（b）和|S₁₁|（c）。

图7 开放短截线功率分配器原型的实测与仿真的传输性能：|S₂₁|（a），|S₃₁|（b）和|S₂₃|（c）。

图8 交叉短截线功率分配器原型的实测与仿真的反射性能：|S ₃₃|（a），|S ₂₂|（b）和|S ₁₁|（c）。

图9 交叉短截线功率分配器原型的实测与仿真的传输性能：|S ₂₁|（a），|S ₃₁|（b）和|S ₂₃|（c）。

图10 功率分配器原型的输出端口2和3的相位差。

图11显示了经典威尔金森功率分配器的实测与仿真性能。短截线设计的隔离性能相对于经典威尔金森提高了20dB（图12）。输入和输出的反射特性（|S₁₁|、|S₂₂|和|S₃₃|）得到了优化，而|S₂₁|和|S₃₁|接近3dB的理想值。

图11 经典威尔金森功率分配器的实测与仿真的|S_xx|。

图12 原始、交叉短截线和开放短截线功率分配器的|S₂₃|。

结论

新设计的威尔金森功率分配器使用了一个紧凑的短截线结构，尺寸缩小了93%。两个稍有不同的原型设计的实测性能与仿真结果非常吻合，而且相对于经典设计没有妥协。实际上，输出端口的隔离度提高了20dB。

鸣谢

本工作得到了阿尔及利亚科学研究和技术发展总局（DGRSDT）的支持。

参考文献

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