一種具有諧波抑制的電可調功分器

陳濤，楊濤，楊自強，劉文豹

電子科技大學電子工程學院，四川成都 611731

通信設備的可調性和小型化是射頻微波技術領域面臨的巨大挑戰。多工作頻段器件或系統的研究與設計是目前發展趨勢，在此背景下，一些研究人員提出了多種具有可調特性的射頻元件，如移相器［1-3］、阻抗變換器［4-5］、濾波器［3］，功分器［6-8］等。

1 電可調功分器原理

經典的三端口Wilkinson功分器如圖1所示，由1個T型節和2個輸出阻抗變換器以及一個隔離電阻構成［9］。圖2給出了文中提出的功分器結構。與Wilkinson功分器相比較，該拓撲結構分為2個部分:輸入阻抗變換部分，輸出阻抗變換部分。先通過輸出匹配將負載阻抗變換到一個中間值，再通過輸入阻抗變換器將這個中間值匹配到源阻抗。與Wilkinson功分器不同，該結構不是將負載阻抗直接匹配到源阻抗，雙阻抗變換增加了設計的靈活度。如果輸入輸出阻抗變換器同時可調，則功分器就能夠獲得可調特性。

圖1 經典二等分Wilkinson功分器

圖2 電可調功分器原理

目前，電可調諧的阻抗變換器已經實現，阻抗變換器將變容二極管替代電容獲得電調諧的特性［4］。眾所周知，當變容二極管的偏置電壓發生變化，其等效電容的大小相應發生改變。由微波網絡原理可知，當變容二極管應用在T型阻抗變換器中時，T型阻抗變換器的等效特征阻抗會隨二極管反向偏置電壓的變化而變化。同時，復阻抗變換網絡的等效電長度也是隨反向偏置電壓的變化而變化。T型阻抗變換器的這種特性讓設計可調的功分器成為可能。

如圖2所示，文中提出的功分器由輸入阻抗變換器和輸出阻抗變換器2個不同的部分構成，功分器的設計分析如下所述:

1.1 輸入阻抗匹配

圖3(a)給出了輸入阻抗匹配(調諧模塊)的等效電路，它由一個小尺寸的T型混合參數復阻抗變換器構成。結合圖3(a)，將輸入阻抗變換網絡的輸出端看進去的阻抗稱做Zout，通過選取合適的微帶線尺寸和電容大小，可以使 Re(Zout)＜50 Ω，Imag(Zout)＜0。

1.2 輸出匹配

輸出阻抗變換電路的等效電路如圖3(b)所示，將輸出阻抗變換器看進去的阻抗叫做Zin，兩路相同阻抗變換器并聯，則由J點看進去的阻抗為Zin/2，合理選擇L與C的大小可以使Re(Zin/2)＜50 Ω，Imag(Zin/2)＞0［10］。該結構與低通濾波器結構相似，因此具有抑制諧波頻率的特性，尤其對二倍諧波頻率具有較強的抑制能力。

圖3 阻抗匹配等效電路

1.3 模塊之間的匹配

當Zin/2=滿足時能夠獲得輸入輸出的最佳匹配。此時，由于輸出兩路完全相同，因此可實現功率等分。

若使Zin/2=，2個阻抗變換器需要的等效電容值不同，因此，相應的二極管偏置電壓不同，需要分別對輸入阻抗變換和輸出阻抗變換提供不同的偏置電壓。這會導致兩級匹配電路之間需要隔直處理，進而增加電路的復雜程度。為了簡化電路，整個電路只采用一個偏置電壓，這樣就導致輸入和輸出變換不能夠實現理想的共軛匹配。為實現較好的前后級匹配，在設計過程中用ADS軟件對微帶線尺寸及集總參數器件的取值進行優化。

此外，由于輸出阻抗變換器不再具有90°的電長度，因此隔離電阻不再是100 Ω，而應該由實際采用的T型變換器和設計的可調諧范圍共同決定。

2 實現與仿真測試

為了證實該可調功分器的可行性，進行實物加工并完成測試。設計的工作頻段在600～1900 MHz。該設介質板計采用Rogers4350，其介電常數為 3.66，損耗倒切角 0.0037，介質板厚度為0.508 mm，銅的厚度0.012 mm。在輸入匹配網絡中，微帶線的阻抗為96 Ω，對應線寬為0.3 mm。值得注意的是，微帶線阻抗越大，整個匹配網絡的尺寸越小，但是損耗也越大，并且對制造工藝的要求也越高。二極管選用英飛凌BBY51，當反向偏置電壓從1 V變化到28 V時，等效電容從6.6 pF變化到0.55 pF。輸出匹配網絡中使用電感的電感值大小為6 nH，隔離電阻阻值為70 Ω。在實現中為減小焊盤的寄生參數影響，使用貼片電阻、貼片電感與貼片變容二極管，并將電容電感焊盤對應的地挖掉。實物如圖4所示，仿真結果如圖5所示，主要描述了不同偏置電壓下的回波損耗，插入損耗以及隔離度。

圖4 實物

圖5 不同電壓下的部分仿真S參數

3 實驗結果分析

實物最終采用Rohde＆Schwarz ZNC矢量網絡分析儀進行測量，測試結果如圖6所示，仿真與測試結果均由一簇曲線描述，不同的曲線對應不同的偏置電壓。

圖6 不同偏壓的部分測試S參數

從仿真和測試S參數可以看出，仿真結果與測試結果具有很好的一致性。該功分器實現了從600～1900 MHz的調諧帶寬，在整個調諧帶寬內，仿真得到的1端口反射系數S11均優于－20 dB，而實際測試得到的結果顯示S11在整個工作頻段優于－15 dB。在整個工作帶寬內，傳輸系數S21、S31均大于－4 dB，在整個調諧帶寬內有0.5 dB的波動，這種波動，與變容二極管的特性直接相關。當二極管的反偏電壓小時，二極管等效電路中的串聯電阻小，因此，整個電路的損耗大;當二極管的反偏電壓大時，二極管等效電路中的串聯電阻大，因此，整個電路的損耗小。此外，由仿真及測試結果可知，在整個工作頻帶，隔離度均優于－22 dB，并且整個電路對二次諧波具有良好的抑制效果。

4 結束語

采用復阻抗變換技術設計并實現了一種可調的等功分功分器，該功分器能夠實現中心頻率從600～1900 MHz的寬帶可調功能。該功分器具有良好的諧波抑制性能，并且具有結構緊湊的特點，該結構可以成為一種寬帶可調諧功分器的應用方案。

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