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一款改進型Wilkinson功分器的設計方案 - 全文

2013年10月14日 15:03 電子愛好者博客 作者:朱大勇,傅世強 用戶評論(0

  0 引言

  功分器是無線通信系統中的一種非常重要的微波無源器件,在天線陣饋電系統、功率放大器和無線局域網中都有著廣泛的應用。目前應用最多的微波功率分配器多為威爾金森(Wilkinson)形式的功分器,其優點在于設計方法較簡單、易于實現,輸出端口可以實現較高隔離。近年來,功分器的研究已經越來越成熟,也越來越深入在傳統Wilkinson功分器的輸出端添加短路枝節的方法實現了寬帶功分器;文蘆狀的多節阻抗變換器Wilkinson 功分器結構,顯著展寬了功分器的工作帶寬;一款平面結構的新型雙頻功分器;直接多路輸出Wilkinson 功分器的計算公式,進一步完善了該功分器的設計指導。然而,當工作頻率升高以后,制作器件的實際尺寸將會縮小,由于隔離電阻的存在,使得兩個輸出支路的電路布局存在限制,尤其在不等功率分配,兩個輸出端口存在強烈互耦而惡化功分器的整體性能。設計了改良型的Wilkinson功分器,該功分器工作在無線局域網S頻段2.4~2.483 5 GHz頻率范圍內,從而增加了其實用價值。利用ADS 軟件進行了仿真設計,并進行了實物加工和測試。

  1 功分器設計

  對于基本的Wilkinson功分器,其輸入/輸出端口特性阻抗為Z0,兩段分支微帶線的電長度均為λg 4 。實現等功分3 dB設計的Wilkinson功分器,基本原理與設計公式在參考文獻[7]中已經做了詳細介紹,其電路結構示意圖如圖1所示。然而傳統的 Wilkinson功分器在工作于頻率較高的情況下,電路尺寸將會縮小,電路布局受到限制,并且兩輸出端口互耦嚴重進而影響其性能。

  為了解決這些問題,本文通過在隔離電阻兩側和兩輸出支路上引入電長度180°( λ 2)微帶傳輸線,將圖1所示的功分器結構改進為圖2所示。

  改進型Wilkinson 電路結構,通過引入λ 2 長度的傳輸線后,大大提高了電路布局的靈活性。由傳輸線理論可知,中心頻率處隔離電路部分的矩陣A 為:

  由傳輸線理論可知,中心頻率處隔離電路部分的矩陣A 為

  由矩陣A 可知,兩輸出支路之間的隔離電路部分仍等效為一個串聯電阻,兩段λ/2長度傳輸線的引入,不但沒有改變電路的性能,而且增加了兩輸出端口微帶線間的距離,從而減小了相互干擾。

  圖1 傳統Wilkinson功分器結構示意圖

  圖2 改進的Wilkinson功分器結構示意圖

  2 仿真及實驗結果

  根據上述分析和計算,設計了一款用于無線局域網的二等分功分器。中心頻率為f0=2.45 GHz,頻率范圍為2.4~2.483 5 GHz,輸入/輸出端口阻抗Z0=50 Ω,隔離電阻R=100 Ω。選用F4B系列微波介質材料板,相對介電常數為εr=2.65,損耗角正切tan δ=0.001,厚度h=2 mm.

  圖3 功分器最佳電路尺寸及加工實物圖

  利用ADS 仿真軟件進行大量的仿真優化,得到最佳的電路尺寸和最終的加工實物如圖3 所示。使用AgilentN5230A矢量網絡分析儀對加工的功分器進行了實際測量。圖4給出了各端口S 參數仿真和實測結果的對比。

  圖4 S參數的仿真與實測結果對比圖

  由圖4 可知,在無線局域網頻帶2.4~2.483 5 GHz內,實測結果表明輸入端口(S11《-20 dB)匹配良好;功率輸出起伏很小,S21 起伏0.2 dB,中心頻率實測S21=-3.87 dB,接近理論值-3.05 dB;輸出端口間的隔離高(S23《-25 dB),帶內高頻端最佳隔離超過30 dB.測試結果與仿真結果具有較好的一致性,實測結果略微向高頻偏移,帶內插損偏高,這可能由于加工和測量誤差造成;帶外高頻端性能惡化可能由于接頭和匹配負載精度不高的原因。

  3 結語

  本文介紹一種改進型Wilkinson微帶二等分功分器的設計方案,并給出研制成果?;趥鹘y Wilkinson功分器理論,通過引入λ 2 微帶傳輸線,增加兩輸出端口間的距離從而提高電路布局的靈活性,進而改善功分器的性能。制作一款用于WLAN 的2.4~2.483 5 GHz頻率范圍的改進型Wilkinson功分器,實測結果表明該功分器在整個設計頻帶內具有良好匹配、功分和隔離性能,驗證了方案的可行性。

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