新型双频Wilkinson功率分配器设计

本发明设计一种无源微波传输器件，确切地说，设计一种新型双频Wilkinson功率分配器，属于微波传输技术领域。

在无线通信系统中经常用到功率合成器或分配器，尤其是在相控阵天线、矢量调节器和混频器的应用当中。近年来，双频段Wilkinson功分器的设计取得了许多成就，包括结合平行RLC电路、利用新颖枝节来做结构调整和端口延伸，但所有这些只能在一个小的频率比上实现。而随着工作频率的增大，功分器介质传输线间距越来越小，使得传输线间的寄生影响增大。在文献[Y. Shin, B. Lee, and M. Park, Dual-band Wilkinson power divider with shifted output ports, IEEE Microw Wireless Compon Lett 18 (2008), 443-445.]，[Y. Shin, B. Lee, and M. Park, Dual-band Wilkinson power divider with shifted output ports, IEEE Microw Wireless Compon Lett 18 (2008), 443-445.]中，为了满足功分器理想的隔离效果和阻抗匹配，双频功分器的设计结构多样化，例如基于短路枝节或开路枝节的设计来扩展工作中的频率比的范围。在文献[X. Tang, and K. Mouthaan, Analysis and design of compact two-way Wilkinson power dividers using coupled lines, Proc. 30nd Asia-Pacific Microw. Conf., vol. 1, Dec. 2009, pp. 1319–1322.]中提出了基于耦合线功率分配器，属于单波段设计。传统的耦合传输线有它的优点，如结构紧凑，可采用偶模和奇模的分析方法实现阻抗匹配，设计参数相对灵活。在文献[M.-J. Park, Two-section cascaded coupled line Wilkinson power divider for dual-band applications, IEEE Microw Wireless Compon Lett 19 (2009), 188-190.]中，提出的双节级联耦合传输线的双频功率分配器，其频率比范围有局限性。在文献[M.-J. Park, Dual-band Wilkinson divider with coupled output port extensions, IEEE Trans Microwave Theory Tech 57 (2009), 2232-2237.]中设计的功分器其频率比的范围有所增大。

目前为止所提出的双频Wilkinson功率分配器的带宽及频率比的范围都有其局限性，不能够有效满足等分移动和无线通信系统在双频带上工作需求。因此，如何构建理想隔离结构，同时具有较宽的工作带宽和较大频率比的双频Wilkinson功率分配器，其结构以及相应的严格设计方法是本发明的关键。

本发明提供了一种双频Wilkinson功率分配器，其最重要的特点是功率分配器的结构设计，传统的Wilkinson功率分配器的两个输出端口位于隔离电阻的两端，而本发明的两个输出端口远离隔离电阻，位于功率分配器的中间位置，即第二端口Port2的输入端连接于第一分支传输线3和第三分支传输线5的连接处；第三端口Port3的输入端连接于第二分支传输线4和第四分支传输线6的连接处；同时设计两个开路枝节位于输入端口处连接，即开路枝节1一端连接于第一端口Port1和第一分支传输线3的连接处，另一端开路；开路枝节2一端连接于第一端口Port1和第二分支传输线4的连接处，另一端开路；输出端口位置的转移和输入端口连接两个开路枝节的设计，使本发明Wilkinson功率分配器在双频工作下具有较宽的工作带宽和较大的频率比。

在保证Wilkinson功率分配器匹配和传输特性优良的前提下，本发明采用耦合微带线结构实现，其主要优点为：(1)使之能在宽频比上获得双频工作特性；(2)用少量传输线段的方案使功率分配器整体结构得到极大简化；(3)电路中除了一个电阻外不需配置额外的集总元件、结构简单、新颖、制造成本低廉；(4)在易于工程实现的条件下，耦合微带线的线宽和线间距都可以任意设置，故设计参数灵活、方便；(5)分布式设计的小型化与平面化，易于实现集成化；(6)引入由隔离枝节构成的结构，减小了传输线间的寄生影响。

图1是本发明双频Wilkinson功率分配器的结构组成示意图。

图2是本发明双频Wilkinson功率分配器等效电路示意图：偶模等效电路(a)，奇模等效电路(b)。

图3是本发明双频Wilkinson功率分配器归一化特性阻抗和隔离电阻与频率比之间的曲线示意图。

图4是本发明双频Wilkinson功率分配器的实物示意图。

图5是本发明双频Wilkinson功率分配器的端口反射系数频谱特性，理论计算值和实物测量值。

图6 是本发明双频Wilkinson功率分配器的端口传输系数和隔离系数频谱特性，理论计算值和实物测量值。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

本发明双频Wilkinson功率分配器是由印制在介质板上、作为功率分配器主体并用于实现匹配和传输特性转换的耦合微带线及其端口所构成的。采用奇偶模等效电路分析理论，简化电路设计。

参见图1，具体介绍本发明功率分配器的结构组成：

第一端口Port1为输入端口，第二端口Port2为输出端口，第三端口Port3为输出端口，开路枝节1，开路枝节2，第一分支传输线3，第二分支传输线4，第三分支传输线5，第四分支传输线6，隔离电阻7；第一端口Port1的输入端连接于第一分支传输线3和第二分支传输线4的连接处；第二端口Port2的输入端连接于第一分支传输线3和第三分支传输线5的连接处；第三端口Port3的输入端连接于第二分支传输线4和第四分支传输线6的连接处；开路枝节1一端连接于第一端口Port1和第一分支传输线3的连接处，另一端开路；开路枝节2一端连接于第一端口Port1和第二分支传输线4的连接处，另一端开路；隔离电阻7一端连接于第三分支传输线5，另一端连接于第四分支传输线6。

在理想的无耗情况下，本发明功率分配器第一端口Port1连接特性阻抗ZA，第二端口Port2和第三端口Port3连接特性阻抗ZB，开路枝节1和开路枝节2特性阻抗Z1，电长度θ1，第一分支传输线3和第二分支传输线4为一节耦合传输线，特性阻抗为Z2e 和Z2o。电长度为θ2，第三分支传输线5和第四分支传输线6为一节耦合传输线，特性阻抗为Z3e 和Z3o，电长度为θ3，下标e和o分别表示偶模和奇模，隔离电阻7阻值为R。

设计本发明功率分配器的具体执行步骤如下。

步骤1：确定第一端口Port1特性阻抗ZA，第二端口Port2和第三端口Port3特性阻抗ZB。

步骤2：本发明采用偶模和奇模激励分析，可以得到如图2所示，2(a)偶模等效电路，2(b)奇模等效电路。

步骤3：理想等分的双频Wilkinson功率分配器应该满足所有端口的匹配，均匀传输，两个输出端口互相隔离，根据图2(a)偶模等效电路，得出以下等式：                                                ，从特性阻抗为Z_2e的传输线左端向右看入的特性阻抗为Z_in2：，从特性阻抗为Z_2e的传输线右端向右看入的特性阻抗为Z_in1：。

通过步骤3的三个公式做出一系列简化运算，可以得出相应的实部和虚部分别为：  。

步骤4：根据图2(b)奇模等效电路，得出以下等式：，从特性阻抗为Z_2o的传输线右端向左看入的特性阻抗为Z_in3： ，从特性阻抗为Z_2o的传输线右端向右看入的特性阻抗为Z_in4： 。

通过步骤4的三个公式做出一系列简化运算，可以得出相应的实部和虚部分别为： 。

步骤5：对于功率分配器的设计来说，散射参数(S-参数）是很重要的。从图1中可以看出功率分配器结构是对称的，得出如下关系：，，，，，，，由此只需要获得散射参数S_11e、S_21e、 S_22e、S_22o，就可得到散射参数封闭方程。

步骤6：根据图2(a) 偶模等效电路，获得Port1和Port2端口之间的ABCD-矩阵如下：

。

根据图2(b) 奇模等效电路，获得ABCD-矩阵如下：

。

步骤7：根据ABCD-矩阵，封闭的偶模和奇模的S-参数表示如下公式：

，

 ，

，

。

步骤8：为了简化功率分配器的设计参数，我们假设Z_A=Z_B=Z₀，θ₁=θ₂=θ₃=θ，获得：  。

步骤9：为了同时在两个不同的频率点f1和f2 = qf1，q≥1，(q是频率比)上满足以上方程，同时得到最紧凑的电路，则每一节传输线在该两个频率点上的电长度可以表示为：，由此可得到关系式 。根据三角函数的周期性，该关系式确保了步骤8的公式在这两个频率点上是不改变的。

步骤10：图3显示归一化特性阻抗(Z1，Z2e，Z2o，Z3e，Z3o)和隔离电阻R随着频率比q的变化趋势。当所有归一化特性阻抗在0.5到2.9的范围之内时，相应的频率比范围是从3.0到5.0。

步骤11：为了验证本发明功率分配器的电路结构的设计，我们采用板材(εr=2.55，H=1mm)实现了一个同时工作在 1GHz和 3.5GHz的微带功率分配器。在设计过程中，我们选取特征阻抗ZA=ZB=Z0=50Ω。根据这些已知条件，得出最终的设计值为Z1=1.7575×50=87.87Ω，Z2e=2.1792×50=108.97Ω，Z2o=1.9374×50=96.74Ω，Z3e=2.0566×50=102.83Ω，Z3o=0.7763×50=38.82Ω，R=2.8025×50=140.13Ω。所有传输线电长度 θ1=θ2=θ3=θ=Π/4.5。

步骤12：图4显示了该功率分配器的实物照片，其制造尺寸是3.8cm×5.7cm。

步骤13：图5是本发明双频Wilkinson功率分配器的端口反射系数频谱特性，理论计算值和实物测量值(来源于安捷伦网络分析仪N5230C)。

第一端口反射系数为S11，第二端口反射系数为S22，第三端口反射系数为S33，由于该功率分配器是对称性结构，可知S22=S33，从图5中可以看出，在双频工作点1GHz和3.5GHz时，三个端口的反射系数模值均小于-16dB，有较好的端口匹配特性。

步骤14：图6 是本发明双频Wilkinson功率分配器的端口传输系数和隔离系数频谱特性，理论计算值和实物测量值(来源于安捷伦网络分析仪N5230C)。

第一端口Port1到第二端口Port2的传输系数S21，第一端口Port1到第三端口Port3传输系数S31，由于该功率分配器是对称性结构，可知S21=S31；第一端口Port1与第三端口Port3之间的隔离系数S23=S32，从图6中可以看出，在双频工作点1GHz/3.5GHz时，第一端口Port1到第二端口Port2的传输系数值-3.11dB/-3.58dB，有较好的功率分配特性和低传输损耗特性，第二端口Port2到第三端口Port3的隔离系数值-21.51dB/-17.91dB，有较好的端口隔离特性。

以上所述，从图5和图6中可以观察到仿真结果和测试结果十分吻合。所以该功率分配器的实验结果满足了最终的设计需求。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。