基于T型結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)功分器研究

蔣紅梅 閉斌雙

【摘 要】針對結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大和功能單一的傳統(tǒng)功分器的不足，本文研究了一種基于T型結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)功分器。該功分器采用T型可調(diào)結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)3dB Wilkinson的λ/4分支傳輸線，利用變?nèi)荻O管改變傳輸線特征阻抗和相移的方法來實現(xiàn)功分器的中心頻率可調(diào)，中心頻率可在1.8～2.8GHz范圍內(nèi)連續(xù)變化，該可重構(gòu)功分器具有工作頻率連續(xù)、大范圍可調(diào)功能，以及尺寸小，電路簡單的優(yōu)點。

【關(guān)鍵詞】可重構(gòu);功分器;變?nèi)荻O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(yīng)用多樣化發(fā)展，對射頻微波系統(tǒng)中的Wilkinson 功分器性能指標也提出了更高要求。傳統(tǒng)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(jié)電路級聯(lián)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，但會導(dǎo)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(fā)展需求。因此研究小型化、多功能集成化、頻率可重構(gòu)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(gòu)功分器，利用變?nèi)荻O管的電調(diào)特性來實現(xiàn)工作頻率可調(diào)[3]，其可調(diào)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(xù)、大范圍可調(diào)的優(yōu)勢。

1 T型結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)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(lián)形式加載在兩短傳輸線之間進而構(gòu)成T型結(jié)構(gòu)，可通過改變可變電容的兩端電壓來調(diào)節(jié)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(jù)等效前后電路結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)移矩陣參數(shù)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(jù)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(guān)系。這里采用變?nèi)荻O管作為可變電容，通過調(diào)節(jié)直流反向偏置電壓來改變變?nèi)荻O管的電容值。根據(jù)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(jié)構(gòu)的短傳輸線特性阻抗和電長度來等效替代原傳輸線。

2 設(shè)計與仿真分析

為了驗證T型結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)性，研究了一個頻率可重構(gòu)的3dB等分Wilkinson功分器設(shè)計實例。介質(zhì)板采用F4B-255，相對介電常數(shù)為2.55，介質(zhì)板厚度為0.8mm，介質(zhì)損耗角正切值為0.003[4]。變?nèi)荻O管選用Skyworks公司的SMV2019型號，反向偏置電壓從0V變化至20V，對應(yīng)的等效電容從2.2pF 變化至0.3pF。將含變?nèi)荻O管SMV2019的T型電路替換傳統(tǒng)3dB 等分Wilkinson功分器的λ/4分支傳輸線，得到了一種頻率連續(xù)調(diào)節(jié)的功分器。圖1所示的原理圖中，變?nèi)荻O管用DIODE1表示，其中，改變參量Cjo和Bv來實現(xiàn)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(shè)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(jīng)優(yōu)化仿真后，微帶線的長和寬最終分別設(shè)置為w1=1.9mm，w2=0.2mm，l1=11mm，l2=6mm，l3=7.59mm。兩變?nèi)荻O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(lián)合仿真。

圖2所示給出了在不同偏置電壓所對應(yīng)的電容參數(shù)下S參數(shù)的仿真結(jié)果。在工作頻帶內(nèi)，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(jié)構(gòu)功分器在變?nèi)荻O管的電容改變下，其中心頻率點可在1.8～2.8GHz之間連續(xù)變化，該功分器具有頻率可重構(gòu)特性，可重構(gòu)的帶寬約為1GHz。

3 結(jié)論

本文根據(jù)變?nèi)荻O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(xiàn)了頻率的可重構(gòu)性，其可重構(gòu)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(tǒng)的功分器設(shè)計，T型可重構(gòu)功分器有著更小尺寸，能更好滿足無線射頻設(shè)備小型化發(fā)展需求。

【參考文獻】

[1]李巧.雙頻帶與寬帶功率分配器設(shè)計[D].西安電子科技大學(xué)，2011.

[2]楊虹，彭洪，彭松，等.基于電長度可調(diào)的可重構(gòu)功分器設(shè)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(diào)功分器設(shè)計[J].電子質(zhì)量，2013（09）：38-42.

[4]彭焱.5G通信系統(tǒng)中的可重構(gòu)功率分配器研究與設(shè)計[D].廣州：華南理工大學(xué)，2016.