面向5G通信的頻率可重構功分器研究

蔣紅梅　閉斌雙

摘 要

基于π型傳輸線可調結構，研究并分析了一款面向5G通信的小型化頻率可重構的等分功分器。該功分器根據傳輸線特征阻抗和相移的可重構技術進行設計，并利用變容二極管可調諧特性來調節頻率，實現了4.628～6.219 GHz連續可調頻率范圍，覆蓋了多個通信頻段。該功分器具有尺寸小、電路簡單、工作頻率連續可調的優點。

關鍵詞

變容二極管;頻率可重構;小型化;功分器

中圖分類號： TN626 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.012

0 引言

隨著人們對無線通信的需求日益增長，微波電路在無線通信領域中的應用也日益繁多，而微波功率分配器（簡稱：功分器）是微波電路中的重要組成部分，也是射頻前端的重要器件之一。無線通信系統需要多個通信頻段來工作，這樣增加系統的復雜性、增大電路的尺寸和功耗，因此，迫切要求小型化、可調性的通信設備來滿足射頻微波技術領域的需求[1-2]。目前，傳統的單一工作頻率、體積較大、結構復雜的功分器已無法滿足可重構陣列天線技術和5G時代移動通信系統的快速發展需求。可重構功分器因具有復用性、可調性以及靈活性等特性，得到越來越多學者們的重視[3]。

本文研究基于π型結構的頻率可重構功分器在5G通信頻段的應用，該功分器可調頻率范圍為4.628～6.219GHz，覆蓋了5.725～5.850GHz的ISM醫療頻段和4800MHz～ 5000MHz的5G系統的工作頻段。該功分器具有尺寸小、易于集成、電路簡單的特點，可以提高頻譜資源的利用率和使通信設備小型化[4]。

1 π型傳輸線結構原理

目前應用廣泛、性能優異的功分器多為Wilkinson形式的功分器，其具有電路結構簡單、易于實現，輸出端口之間隔離度良好的優點，但傳統的Wilkinson功分器存在工作頻率單一、帶寬有限，并且由于其工作原理，存在尺寸較大的缺點，不利于射頻前端的集成和5G通信系統的小型化、多功能的發展需求，而可重構功分器可以克服以上缺點。可重構功分器根據微帶傳輸線的基本特性和傳輸線理論，通過加載可變電容的傳輸線等效電路來實現特定傳輸線的特征阻抗與相移的可重構性。本文采用基于π型結構的傳輸線來實現工作頻率可重構的功分器，在具有相同頻帶特性的基礎上，其電路尺寸較小。

圖1為等效前的原傳輸線和π型結構傳輸線。π型結構的傳輸線是由兩個并聯可調電容和一條串聯的傳輸線構成的電路。同時調節傳輸線兩邊的并聯電容的電容值可以改變π型結構傳輸線的特征阻抗和相移特性，但等效前后的傳輸特性是相同的。根據傳輸線的奇偶模相關理論，以及二端口網絡的級聯理論，可得圖1的兩種傳輸線的轉移矩陣分別為[5]：

其中，等效前的原傳輸線的導納、特性阻抗和電長度分別為Y、Z和θ;而等效后π型結構中的微帶傳輸線的導納、特性阻抗和電長度分別是Y0、Z0和θ0;變容二極管的導納為Yc 。通過選擇合適的可變電容、特性阻抗和電長度，則能改變原傳輸線的特性阻抗和相移。已知，θ為3dB Wilkinson功分器的λ/4傳輸線的電長度;Yc=2πf·Cπ;同時根據等效前后電路的轉移矩陣相等，可得：

其中，π型結構的并聯可變電容值為Cπ;可重構功分器的工作頻率為f。等效前的原傳輸線的特性阻抗為Z=50Ω，由上式（4）可知，當電長度θ確定時，f與Cπ成反比關系，即可通過可調并聯電容Cπ值來改變工作頻率f，進而實現工作頻率的連續可調。

2 仿真分析及研究

本文研究應用于5G通信頻段的基于π型結構的頻率可調功分器。采用ADS2015軟件對該功分器進行仿真分析，基于上述的π型結構原理，將π型結構電路等效替代傳統的等分威爾金森功分器的兩λ/4傳輸支路，π型結構的等分功分器原理圖如圖2所示。其中，變容二極管DIODEM1選用SMV2019-079LF型，其可調電壓范圍為0～20V，對應的電容范圍為0.3～2.22pF，通過調節直流反向偏置電壓來改變電容值，為了簡化電路，所有變容二極管都采用相同的反向偏置電壓，即在仿真中，四個變容二極管同時變化且取值相等，其中，變容二極管SMV2019-079 LF等效模型中，主要通過改變Cjo值進而實現電容的連續可調。

該功分器的電長度設置為λ/6，選用微波復合材料F4B -255為介質基板，其介電常數Er=2.55，厚度為H=0.8mm，損耗角正切值TanD=0.003。經過參數的仿真優化，最終確定微帶線的參數值。圖2中，功分器的輸入端的微帶線長l1=3mm、寬w1=8mm;上下兩對稱的π型結構中的微帶線長l2=7.27mm、寬w2=0.2mm;功分器兩輸出端口的微帶線長l3=16.37mm、寬w1=8mm，隔離電阻R=100Ohm。仿真結果如圖3所示。相對于傳統的Wilkinson功分器而言，該功分器版圖面積為24mm ×35mm，其具有尺寸小、成本低的優勢。

圖3中，S32表示輸出端口2、3之間的隔離度，S11表示輸入端口1的回波損耗，參數S32、S11值越小越好。當同時滿足S32和S11均優于20dB時，電容值的可調范圍為0.39～ 0.69pF;可調頻率范圍為4.628～6.219 GHz，可調的頻率帶寬約為1.59GHz。在可調頻率范圍內，插入損耗S21值低于-4.5dB，與參考文獻[5]比較，說明，隨著頻率的升高，功分器的插入損耗越大，傳輸的效率越低。

由圖4可知，在整個調諧帶寬內，在不同的頻率點時，S參數的S32、S11和S21值不同，可重構頻率范圍的中心頻率值約為5.4GHz，在中心頻率附近時，S32、S11性能更好，偏離中心頻率時，S32、S11性能越差。傳輸系數S21隨著工作頻率的升高而略增大，當頻率為4.628GHz時，傳輸系數S21為-5dB，當頻率為6.219GHz時，S21為-4.52dB，可見，兩者相差約0.5dB，表明，在整個調諧帶寬內有約0.5dB的波動。由圖5可知，調諧帶寬內，當可變電容Cjo增大時，該功分器的工作頻率下降，進而驗證π型傳輸線結構原理的結論：工作頻率與變容二極管電容成反比。

3 結束語

本文采用基于π型傳輸線結構原理來分析面向5G通信的頻率可重構的等分功分器，該功分器能夠實現工作頻率從4.628～6.219GHz的寬帶可調，該頻段覆蓋了ISM的醫療頻段和5G系統的工作頻段，并且，其輸出端口間的隔離度和回波損耗均優于20dB。同時，該功分器具有尺寸小、成本低優勢，具有重要的研究價值和應用前景。

參考文獻

[1]程飛，李承澤，彭飛.工作頻率可調的微帶功分器[P].中國專利：CN105375093A，2016-03-02.

[2]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.

[3]葉秀眺.可重構微帶功分器設計與實現[D].西安電子科技大學，2018.

[4]趙明.工信部確定5G使用頻段[J].計算機與網絡，2017，43（21）：17.

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