基于T型結構的可重構功分器研究

蔣紅梅 閉斌雙

【摘 要】針對結構復雜、體積較大和功能單一的傳統功分器的不足，本文研究了一種基于T型結構的可重構功分器。該功分器采用T型可調結構代替傳統3dB Wilkinson的λ/4分支傳輸線，利用變容二極管改變傳輸線特征阻抗和相移的方法來實現功分器的中心頻率可調，中心頻率可在1.8～2.8GHz范圍內連續變化，該可重構功分器具有工作頻率連續、大范圍可調功能，以及尺寸小，電路簡單的優點。

【關鍵詞】可重構;功分器;變容二極管

中圖分類號： TN626 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）23-0019-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.23.007

【Abstract】Aiming at the shortcomings of traditional power divider with complex structure， large volume and single function， a reconfigurable power divider based on T frame is studied. The power divider adopts a T adjustable structure to replace the traditional 3 dB Wilkinson 4-branch transmission line， and uses varactor diodes to change the characteristic impedance and phase shift of the transmission line to realize the adjustment of the center frequency of the power divider. The center frequency continuously changes in the range of 1.9-2.8 GHz. The reconfigurable power divider has the advantages of continuous working frequency， large-range adjustable function， and can reduce size and cost.

【Key words】Reconfiguration; Power divider; Varactor diodes

0 引言

伴隨著無線通信應用多樣化發展，對射頻微波系統中的Wilkinson 功分器性能指標也提出了更高要求。傳統的Wilkinson功分器的四分之一波長阻抗變換特性，使得只能工作在單一頻率或其奇次諧波處，為了加寬功分器的工作頻段和帶寬，可通過多節電路級聯結構來實現，但會導致電路尺寸增大，進而使射頻前端器件體積增大，顯然不能滿足當前通信的多頻帶、帶寬和小型化的發展需求。因此研究小型化、多功能集成化、頻率可重構的功分器已成為熱點之一[1-2]。

本文研究了一種基于T型的可重構功分器，利用變容二極管的電調特性來實現工作頻率可調[3]，其可調頻率范圍為1.8～2.8 GHz，該功分器具有尺寸小、成本低和工作頻率實時、連續、大范圍可調的優勢。

1 T型結構的可重構原理

T型傳輸線是由可變電容和兩條短傳輸線組成，可變電容以并聯形式加載在兩短傳輸線之間進而構成T型結構，可通過改變可變電容的兩端電壓來調節電容值，進而改變等效傳輸線的特性阻抗和相移特性，兩者都具有相同的頻帶特性。根據等效前后電路結構的轉移矩陣參數相等，可得[4]。

由以上兩式可知，原傳輸線的阻抗（Z）、電長度（θ）和等效后的短傳輸線電長度（θ0）可確定等效后的短傳輸線阻抗（Z0）;可根據等效后的短傳輸線阻抗（Z0）進而確定共振頻率f和可變電容的電容C之間的關系。這里采用變容二極管作為可變電容，通過調節直流反向偏置電壓來改變變容二極管的電容值。根據傳輸線理論和微帶傳輸線的基本特性，可通過選擇合適的可變電容、T型結構的短傳輸線特性阻抗和電長度來等效替代原傳輸線。

2 設計與仿真分析

為了驗證T型結構的可重構性，研究了一個頻率可重構的3dB等分Wilkinson功分器設計實例。介質板采用F4B-255，相對介電常數為2.55，介質板厚度為0.8mm，介質損耗角正切值為0.003[4]。變容二極管選用Skyworks公司的SMV2019型號，反向偏置電壓從0V變化至20V，對應的等效電容從2.2pF 變化至0.3pF。將含變容二極管SMV2019的T型電路替換傳統3dB 等分Wilkinson功分器的λ/4分支傳輸線，得到了一種頻率連續調節的功分器。圖1所示的原理圖中，變容二極管用DIODE1表示，其中，改變參量Cjo和Bv來實現電容隨電壓變化而變化，而其他參量值保持不變。

圖1中的等分功分器中，上下分支傳輸線是對稱的，因而設置了5個變量，其中，w1、l1為功分器的微帶線始端的長寬，w1、l3為功分器的微帶線末端的長寬，w2、l2為功分器的T型兩短微帶線的長寬。經優化仿真后，微帶線的長和寬最終分別設置為w1=1.9mm，w2=0.2mm，l1=11mm，l2=6mm，l3=7.59mm。兩變容二極管都采用相同的直流反向偏置電壓。二極管和電阻封裝后，添加至有版圖的原理圖中，并將版圖器件選擇成emModel模式來進行聯合仿真。

圖2所示給出了在不同偏置電壓所對應的電容參數下S參數的仿真結果。在工作頻帶內，該功分器S21和S31大于-3.4dB，端口1的回波損耗S11小于-20dB，端口2與端口3之間的隔離度S23大于20dB。該T型結構功分器在變容二極管的電容改變下，其中心頻率點可在1.8～2.8GHz之間連續變化，該功分器具有頻率可重構特性，可重構的帶寬約為1GHz。

3 結論

本文根據變容二極管能改變傳輸線特征阻抗和相移的方法，用T型電路等效替代3dB等分Wilkinson功分器的λ/4分支線，實現了頻率的可重構性，其可重構的頻率范圍為1.8～2.8GHz，帶寬約為1GHz。回波損耗和隔離度都滿足實際工作要求。相對于傳統的功分器設計，T型可重構功分器有著更小尺寸，能更好滿足無線射頻設備小型化發展需求。

【參考文獻】

[1]李巧.雙頻帶與寬帶功率分配器設計[D].西安電子科技大學，2011.

[2]楊虹，彭洪，彭松，等.基于電長度可調的可重構功分器設計[J].壓電與聲光，2018，40（02）：202-205.

[3]吳昊旻，敬守釗.一種小型化電調功分器設計[J].電子質量，2013（09）：38-42.

[4]彭焱.5G通信系統中的可重構功率分配器研究與設計[D].廣州：華南理工大學，2016.