小型化C頻段薄膜威爾金森功分器研究

郭文剛

(1.裝備工程技術(shù)研究實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081;2.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

小型化C頻段薄膜威爾金森功分器研究

郭文剛1，2

(1.裝備工程技術(shù)研究實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081;2.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

出于小型化的需求，對傳統(tǒng)Wilkinson形式的功分器進(jìn)行了分析和改進(jìn)，提出了一種采用陶瓷薄膜工藝的工作于C頻段的新型雙啞鈴型小型化二等分功分器，該功分器覆蓋了3.5～7 GHz頻段,電路板面積尺寸只有6 mm×6 mm，較以往的設(shè)計(jì)減小20%以上。與此同時，該功分器還在整個工作頻段內(nèi)展示出優(yōu)良的射頻性能，整個通帶內(nèi)回波損耗>20 dB，插入損耗<3.1 dB，隔離度>20 dB。

Wilkinson功分器；C頻段；HFSS；薄膜

0 引言

近年來，電子、通信產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，伴隨著基礎(chǔ)工藝的不斷改進(jìn)，通信電路的整體設(shè)計(jì)水平也在不斷提升。與此同時，設(shè)計(jì)需求也在不斷提高，尤其是小型化需求[1]，已成為當(dāng)前乃至未來電路設(shè)計(jì)的重要發(fā)展方向[2]。解決小型化問題的手段是多方面[3-4]的：① 在系統(tǒng)層面優(yōu)化電路的整體結(jié)構(gòu)和布局[5]；② 充分利用集成電路芯片，提高系統(tǒng)集成度[6]；③ 通過技術(shù)手段，壓縮單元器件尺寸[7]。基于薄膜電路工藝制作的微波電路[8-9]具有體積小[10]、重量輕[11]、損耗低[12-13]等優(yōu)點(diǎn)，且易與其他微波電路集成，是微波單元器件小型化的一種重要實(shí)現(xiàn)手段。

功分器是一種常見微波器件，其性能對整個系統(tǒng)指標(biāo)具有不可忽視的影響。從功能上說，功分器可分為輸出端沒有隔離的簡單功分器[14]和有隔離的混合型功分器[15-16]。本文在薄膜工藝基礎(chǔ)上對傳統(tǒng)威爾金森(Wilkinson)功分器的電路圖形進(jìn)行了改進(jìn)，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一款C頻段啞鈴型功分器，該功分器在顯著降低尺寸的同時，具有優(yōu)良的射頻性能，驗(yàn)證了以上小型化手段的有效性。

1 工作原理

Wilkinson功分器是一種常用的有隔離功分器，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由圖1可看出，二等分Wilkinson功分器由2條對稱臂構(gòu)成，而每條對稱臂又包含多節(jié)1/4波長傳輸線，在每對1/4波長傳輸線之間還有一個隔離電阻。1/4波長傳輸線的節(jié)數(shù)是由設(shè)計(jì)帶寬決定的，為此對于寬帶的設(shè)計(jì)需求，往往需要較多的節(jié)數(shù)實(shí)現(xiàn)，這也會造成較大的電路尺寸。

對于給定頻率、材料和傳輸線形式，1/4波長傳輸線的長度是固定的。為實(shí)現(xiàn)小型化，可考慮使用集總電容、電感構(gòu)成的等效人工傳輸線，但是當(dāng)頻率較高時，如在C波段，這一方式會造成較大的損耗并產(chǎn)生明顯的寄生參數(shù)。為此，本文考慮在另一個設(shè)計(jì)維度做文章，即對傳統(tǒng)Wilkinson的版圖形狀進(jìn)行優(yōu)化，在薄膜電路工藝的基礎(chǔ)之上，實(shí)現(xiàn)了一款工作于3.5～7 GHz的小型化C頻段Wilkinson功分器。

圖1 Wilkinson功分器結(jié)構(gòu)示意圖

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 阻抗匹配段設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)目標(biāo)是二等分功分器，該功分器對應(yīng)的阻抗變換比為2，同時高端頻率f2與低端頻率f1的比值也為2。由文獻(xiàn)[1]可知，最小的實(shí)現(xiàn)階數(shù)是2階，對應(yīng)的2段1/4波長傳輸線的歸一化特性阻抗z1、z2分別為1.219 7和1.639 8，通過ADS2008電路仿真軟件，可得到其阻抗匹配的寬帶特性，如圖2所示。其中，圖2(a)為仿真的電路原理圖，圖2(b)為傳輸通帶內(nèi)的S參數(shù)曲線，實(shí)線為插入損耗曲線，虛線為回波損耗曲線。

(a) 電路圖

(b) 回波損耗

在上述仿真中，2個端口的阻抗分別設(shè)置為50 Ω和100 Ω，以表征圖1中單臂的信號傳輸狀況。可以看出，在整個通帶內(nèi)，回波損耗的仿真值優(yōu)于25 dB。

2.2 隔離電阻設(shè)計(jì)

圖1中隔離電阻的取值決定了分路器2個輸出端口的隔離特性，其阻值可由式(1)～式(3)進(jìn)行計(jì)算。其中，式(1)為中間表達(dá)式：

(1)

(2)

(3)

由式(1)～(3)及z1、z2的取值可求得歸一化隔離電阻r1、r2的值分別為4.820 4和1.960 2。在實(shí)際使用中，還須將r1、r2的計(jì)算值對系統(tǒng)阻抗進(jìn)行反歸一化(對微波電路來說，通常是50 Ω)，以得到實(shí)際使用的隔離電阻阻值。

2.3 分路器電路設(shè)計(jì)

以此參數(shù)構(gòu)建的分路器電路模型如圖3所示，圖中，3個端口的阻抗均設(shè)置為50 Ω。仿真結(jié)果如圖4所示。圖4中，實(shí)線為輸入端口(1端口)的回波損耗曲線；虛線為輸入端口-輸出端口間的插入損耗曲線(由于2個輸出端口完全對稱，故只取一條插損曲線即端口1-端口2間的插損曲線，此時端口3接匹配負(fù)載)；點(diǎn)線為輸出端口的回波損耗曲線(2端口)；點(diǎn)劃線為2個出端口(2端口和3端口)間的隔離度曲線。

由圖3和圖4可以看出，在整個設(shè)計(jì)通帶內(nèi)，原型電路的設(shè)計(jì)完全滿足輸入損耗、回波損耗以及輸出端口隔離度等設(shè)計(jì)指標(biāo)。

圖3 分格器電路圖

圖4 S參數(shù)仿真曲線

3 版圖設(shè)計(jì)及仿真驗(yàn)證

為實(shí)現(xiàn)較小的尺寸，選用99.6%填充的Al2O3陶瓷薄膜材料，其相對介電常數(shù)為9.8，介質(zhì)損耗角正切為0.000 2；表面金屬為金，使用濺射工藝成型，厚度約3 μm。為了縮減電路的尺寸，選擇圖5(a)所示的雙啞鈴型結(jié)構(gòu)進(jìn)行電路排布，將整體尺寸壓縮至6×6 mm2。對圖5(a)中的尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，并在HFSS三維全波仿真軟件中進(jìn)行了仿真，所得到的S參數(shù)計(jì)算結(jié)果如圖5(b)所示。其中：實(shí)線為輸入端口的回波損耗，虛線為輸入端口-輸出端口間的插入損耗；點(diǎn)線為輸出端口的回波損耗；點(diǎn)劃線為輸出端口-輸出端口間的隔離度。

(a) 版圖結(jié)構(gòu)

(b) S參數(shù)仿真曲線

在以上模型中，隔離電阻采用方阻為50 Ω/□的TaN(氮化鉭)薄膜實(shí)現(xiàn)。由圖5可看出，所設(shè)計(jì)的二等分功分器仿真結(jié)果在整個設(shè)計(jì)頻段內(nèi)的輸入回波損耗、輸出回波損耗均大于20 dB，插入損耗小于3.1 dB，輸出端口間隔離度大于20 dB，具有較好的射頻性能。

4 結(jié)束語

小型化可以說是微波電路設(shè)計(jì)的永恒追求，以往對小型化的關(guān)注更多集中在新的工藝平臺和新材料上，本文從版圖形狀的優(yōu)化出發(fā)，實(shí)現(xiàn)了一款工作在C頻段的小型化二等分Wilkinson功分器，除了在整個通帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)了優(yōu)良的射頻性能外，也明顯地壓縮了電路尺寸。與以往的實(shí)現(xiàn)形式的電路板尺寸比較，所提出的啞鈴型功分器至少縮減了20%，這一設(shè)計(jì)形式可以很方便地移植于其他工作頻段。此外，這一設(shè)計(jì)思路也可為其他微波單元設(shè)計(jì)借鑒。

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Research of Miniaturized C Band Thin Film Wilkinson Power Divider

GUO Wen-gang1,2

(1.Equipment Engineening Technology Research Laboratory,Shijiazhuang Hebei 050081,China;2.The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China)

Wilkinson divider is analyzed and improved in this paper. And a novel double-dumbbell shaped miniaturized C band 2-way equal power divider is proposed. The proposed power divider works in 3.5～7 GHz,and has a circuit board dimension of 6 mm×6 mm,which is decreased by 20% compared with traditional designs. At the same time,the proposed power divider presents excellent RF performance in the whole working band:the return loss of the divider is greater than 20 dB,while the insertion loss is less than 3.1 dB,and the isolation between two output ports is greater than 20 dB.

Wilkinson power divider;C band;HFSS;thin film

10. 3969/j.issn. 1003-3114. 2017.04.20

郭文剛.小型化C頻段薄膜威爾金森功分器研究[J].無線電通信技術(shù),2017,43(4):83-85.

[GUO Wengang.Research of Miniaturized C Band Thin Film Wilkinson Power Divider [J]. Radio Communications Technology,2017,43(4):83-85. ]

2017-03-09

國家部委基金資助項(xiàng)目

郭文剛(1981—)，男，工程師，主要研究方向：微波電路與系統(tǒng)。

TN713.5

A

1003-3114(2017)04-83-3