一種基于低溫共燒陶瓷技術(shù)的一分二功率分配器設(shè)計(jì)方法

胡雨婷 侯明 李小珍 徐開心 張楊

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（批準(zhǔn)號：61864004）資助的課題。

作者簡介：胡雨婷（1997-），碩士研究生，從事射頻無源器件的研究。

通訊作者：侯明（1984-），副教授，從事射頻與微波電路的研究，275559643@qq.com。

引用本文：胡雨婷，侯明，李小珍，等.一種基于低溫共燒陶瓷技術(shù)的一分二功率分配器設(shè)計(jì)方法［J］.化工自動化及儀表，2024，51（2）：192-198；364.

DOI：10.20030/j.cnki.1000-3932.202402007

摘 要 從小型化的要求出發(fā)，提出一種一分二等分功率分配器設(shè)計(jì)方法。以Wilkinson功率分配器結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，將傳統(tǒng)功率分配器中的直線型傳輸線改為螺旋線型傳輸線。采用低溫共燒陶瓷（LTCC）技術(shù)進(jìn)行小型化功率分配器設(shè)計(jì)，建模時利用立體疊層結(jié)構(gòu)對功率分配器內(nèi)部的傳輸線進(jìn)行布局，內(nèi)部不同金屬層之間使用垂直通孔連接，使得該功率分配器尺寸與傳統(tǒng)平面結(jié)構(gòu)功率分配器相比大幅減小。在HFSS軟件中完成三維模型建立與電磁仿真，并對設(shè)計(jì)完成的功率分配器進(jìn)行加工測試，最終得到該功率分配器回波損耗優(yōu)于19 dB，插入損耗優(yōu)于3.5 dB，中心頻率2.8 GHz處隔離度優(yōu)于35 dB，具有較好的隔離度，滿足一分二等分功率分配器的性能要求，并且LTCC功率分配器尺寸僅3.18 mm×1.58 mm×0.911 mm。

關(guān)鍵詞 一分二等分功率分配器 LTCC 螺旋線結(jié)構(gòu) 回波損耗 插入損耗 中心頻率 隔離度

中圖分類號 TN510?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A?? 文章編號 1000-3932（2024）02-0192-08

功率分配器（Power Divider）簡稱功分器，是射頻領(lǐng)域的重要無源器件，被廣泛應(yīng)用于射頻前端中。功分器的主要功能是實(shí)現(xiàn)平衡到非平衡的輸出，將一路輸入信號按比例分配為多路互不干擾的輸出信號。目前，使用較多的功分器類型有Wilkinson功分器、Bagley多邊形功分器（BPD）［1～3］及Gysel功分器等。在現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中，通常需要較大輸出功率的發(fā)射機(jī)［4］，為實(shí)現(xiàn)高功率輸出信號，功分器經(jīng)常和功率放大器、合成器組合使用［5］。隨著現(xiàn)代無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，對于射頻無源器件的小型化有了更高的要求，近年來各國學(xué)者對功分器的研究主要圍繞著小型化展開。低溫共燒陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC）工藝因其穩(wěn)定性高、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，逐漸被用于無源器件的制作［6］，以更好地實(shí)現(xiàn)小型化。20世紀(jì)60年代提出的Wilkinson功分器為功分器研究的飛速發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。文獻(xiàn)［7］利用漸變線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多節(jié)Wilkinson功分器的級聯(lián)，提高了帶寬；文獻(xiàn)［8～11］基于傳統(tǒng)Wilkinson功分器結(jié)構(gòu)，對其阻抗變換部分做出調(diào)整，達(dá)到了增加功分器帶寬、改善隔離度的目的。

目前的功分器設(shè)計(jì)大都基于PCB印刷電路，電子元件或傳輸線的排列均為平面布局。對于分布式功分器而言，傳輸線的尺寸受工作頻率的影響通常難以改變，導(dǎo)致功分器平面電路尺寸較大。隨著制作工藝的發(fā)展，LTCC技術(shù)開始被應(yīng)用于無源器件的設(shè)計(jì)與制作［12］，即可充分利用LTCC工藝特點(diǎn)進(jìn)行立體疊層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)Wilkinson功分器的小型化。我國學(xué)者傅顯惠等基于LTCC技術(shù)采用翻折功分器主線路，設(shè)計(jì)出一款超寬帶小型化功分器，該功分器設(shè)計(jì)并未改變傳輸線形狀，仍采用平面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)電路，雖未充分利用LTCC技術(shù)特點(diǎn)對傳輸線進(jìn)行立體疊層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但其尺寸與傳統(tǒng)方式設(shè)計(jì)的功分器相比仍然減小了30%［13］。

筆者基于LTCC技術(shù)設(shè)計(jì)了一款Wilkinson寬帶功分器，利用HFSS軟件進(jìn)行建模與仿真，將直線型傳輸線改為螺旋線結(jié)構(gòu)，加入接地調(diào)節(jié)板。利用螺旋線繞線次數(shù)多、線寬窄的特點(diǎn)進(jìn)行寬帶功分器設(shè)計(jì)，以期實(shí)現(xiàn)小型化、高性能的要求。

1 功分器簡介

功分器實(shí)現(xiàn)平衡到非平衡的輸出，將一路輸入信號按比例分配為多路互不干擾的輸出信號，其原理如圖1a所示，其中α為功率倍數(shù)。現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中功分器與功率放大器和合成器的組合使用［5］如圖1b所示。

圖1 功分器的工作原理與常見功放合成器結(jié)構(gòu)

2 Wilkinson功分器基本理論

2.1 Wilkinson功分器工作原理

目前使用較多且性能較好的功分器是Wilkinson，單節(jié)Wilkinson功分器結(jié)構(gòu)如圖2所示，由兩條四分之一波長（？姿/4）傳輸線及隔離電阻R組成［14］。信號由port1輸入，經(jīng)過分配后由port2、port3輸出，輸出信號功率按比例分配。功分器兩分支線特性阻抗分別為Z、Z，本設(shè)計(jì)的Wilkinson功分器為一分二等分功分器，上下對稱結(jié)構(gòu)，因此有Z=Z。

圖2 單節(jié)Wilkinson功分器

對于一分二等分功分器進(jìn)行分析，假設(shè)傳輸線特性阻抗為Z，Wilkinson功分器等效電路如圖3所示［15］。

圖3 Wilkinson功分器等效電路

令圖3中兩個輸出端口的功率分別為P、P，則輸出功率比k的計(jì)算式為：

k=（1）

設(shè)圖2中port2、port3的電壓為U、U，則等分功分器存在U=U的關(guān)系，且兩輸出端口間的輸出功率與電壓存在關(guān)系P=，將此關(guān)系代入式（1），得到：

=k（2）

Z=kZ（3）

其中，Z、Z分別為port2、port3端口的輸入阻抗。

如果有：

Z=kZ

Z=（4）

則要使端口1匹配，存在：

=+

=+（5）

=k（6）

因此可得：

=（k+1）+（k+1）（7）

Z=Z

Z=Z（8）

要保證功分器的隔離性需要：

R=kZ+（9）

對于等分功分器，k=1，因此可以得到等分功分器中：

Z=Z=Z

Z=Z=Z

R=2Z

2.2 功分器常用技術(shù)指標(biāo)

頻率范圍及中心頻率f。頻率范圍是各種射頻、微波、毫米波器件電路的工作前提。中心頻率f為上下限頻率的中間平均值，即f=（f+f）/2。

工作帶寬。工作帶寬主要分為兩種：一是絕對帶寬BW，是功分器上限頻率f與下限頻率f之差；另一種是相對帶寬BW，為功分器絕對帶寬與中心頻率的百分比。

插入損耗（IL）。在實(shí)際工作條件下，功分器信號進(jìn)行傳輸時產(chǎn)生的損耗，通常用參數(shù)S、S表示，單位為分貝dB。

回波損耗（RL）。端口輸入信號功率與反射回該端口信號功率的比值，在仿真測試時，一般用參數(shù)S11、S22、S33描述各端口的回波損耗。

隔離度。功分器的隔離度用于表示輸出端口間互不干擾的程度，隔離度越高功分器性能越好，一般用參數(shù)S23描述隔離度。

3 Wilkinson功分器設(shè)計(jì)

3.1 功分器平面結(jié)構(gòu)

以Wilkinson功分器相關(guān)理論為基礎(chǔ)，利用ADS軟件進(jìn)行平面功分器電路設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，希望得到中心頻率在2.8 GHz、隔離度優(yōu)于

20 dB的一分二等分Wilkinson功分器。

圖4所示是分布式Wilkinson功分器結(jié)構(gòu)示意圖，可知此功分器由兩條四分之一波長傳輸線作為阻抗轉(zhuǎn)換器，進(jìn)行阻抗匹配。

圖4 分布式一分二Wilkinson功分器示意圖

在進(jìn)行功分器電路設(shè)計(jì)時，先經(jīng)過分析確定：

Z=50 Ω

Z=Z=70.7 Ω

f=2.8 GHz

并選擇微帶線作為傳輸線，再利用ADS軟件中的LineCalc工具可得出功分器中各部分傳輸線的尺寸，確定功分器原理圖。

微帶線的尺寸受工作頻率影響通常是固定的，如直接依據(jù)圖4所示結(jié)構(gòu)制作得到的功分器體積較大且不符合實(shí)際制作情況。一般在設(shè)計(jì)功分器平面電路時，考慮到器件實(shí)際制作時的不確定因素，通常不會使用直線型微帶線，會對其進(jìn)行翻折處理，并加入切角，以保證其性能穩(wěn)定，便于加工。圖5所示是實(shí)際加工時選取的結(jié)構(gòu)，依據(jù)此形狀在ADS軟件中進(jìn)行一分二等分Wilkinson功分器電路原理圖繪制。圖5中1處為信號輸入端口，2、3處為信號功率分配后輸出端口，a、b點(diǎn)之間外接隔離電阻，同時還要保證2、3端口之間有較好的隔離度。

圖5 一分二Wilkinson功分器平面形狀

3.2 功分器電路設(shè)計(jì)及仿真

利用ADS軟件進(jìn)行平面功分器電路原理圖繪制及仿真。依據(jù)表1設(shè)計(jì)指標(biāo)，利用ADS軟件中的LineCalc工具確定圖4所示結(jié)構(gòu)中各微帶線尺寸，并使用100 Ω電阻作為隔離電阻。依據(jù)圖5提出的功分器形狀對微帶線進(jìn)行翻折，添加切角。由于對平面電路形狀做出了改動，需要對各部分微帶線長度進(jìn)行小范圍調(diào)整及優(yōu)化。

表1 Wilkinson功分器設(shè)計(jì)指標(biāo)

Wilkinson功分器電路原理如圖6所示，使用ADS進(jìn)行電路原理圖繪制時，在各轉(zhuǎn)角處需要添加相應(yīng)元件。圖6中，L=19.556 mm，L=L=

4.568 mm，L=L9=9.6072 mm，L=L=3.168 mm，L=

L=9.580 mm，L6=L12=4.368 mm，L=L=10.9092 mm，圖中的MTEE_ADS和MSOBND_MDS為ADS軟件中的切角元件。

現(xiàn)對Wilkinson功分器電路原理進(jìn)行仿真，其仿真結(jié)果如圖7所示。仿真后可得其中心頻率f=2.8 GHz處，隔離度S為-25.9 dB，工作頻率范圍內(nèi)，最大隔離度可達(dá)-39 dB，回波損耗S優(yōu)于

-24 dB，插入損耗S優(yōu)于-3 dB，具有較好的隔離度。通過觀察圖7b中的S、S仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)兩條曲線基本重合，表明其輸出端口一致性較好，此功分器符合設(shè)計(jì)指標(biāo)且留有一定余量供實(shí)際加工制作。

圖7 Wilkinson功分器原理圖仿真結(jié)果

由圖6中各微帶線的尺寸可知，雖然繪制時對微帶線進(jìn)行了翻折，但是其尺寸仍然較大，僅端口1處連接的輸入微帶線長度即達(dá)到19 mm。但在此平面功分器基礎(chǔ)上改變微帶線尺寸會影響其性能，當(dāng)改變圖5中L的大小時，功分器中心頻率發(fā)生偏移，工作帶寬也隨之改變。如圖8所示，為L取不同值時S的仿真結(jié)果，其中圖5中的L為9.607 2 mm。

圖8 L對S11參數(shù)的影響

若在此結(jié)構(gòu)上嘗試通過減小微帶線長度達(dá)到減小功分器尺寸的目的，那么由仿真結(jié)果可知，改變微帶線尺寸易造成仿真結(jié)果不符合設(shè)計(jì)指標(biāo)，既不能大幅減小器件尺寸又增加了工作量。因此，在三維建模時可以對其進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)，利用LTCC工藝可以分層印刷的特點(diǎn)，將輸出端口連接線放置于輸入端口連接線和四分之一波長傳輸線下層，形成立體疊層結(jié)構(gòu)。同時，將傳輸線由傳統(tǒng)直線型改為螺旋線型，達(dá)到減小功分器尺寸的同時保證性能的目的。

4 LTCC功分器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，在HFSS軟件中對中心頻率為2.8 GHz的功分器進(jìn)行三維建模，并對建立的模型進(jìn)行電磁場仿真，驗(yàn)證其性能。

為了符合無線通信系統(tǒng)小型化的要求，在進(jìn)行建模時，采用LTCC技術(shù)封裝器件，接地基板選取Rogers4350，基板厚度僅0.508 mm，基板中加入垂直通孔用于連接LTCC器件，并選取100 Ω貼片電阻作為隔離電阻并將其外接在基板上，以減小功分器體積。

4.1 LTCC技術(shù)簡述

LTCC技術(shù)使用低溫?zé)Y(jié)的方法將陶瓷粉制成生瓷帶，具有厚度精確、瓷帶緊致的特點(diǎn)。采用LTCC技術(shù)設(shè)計(jì)無源器件時，可以將所有無源元件埋入幾毫米的空間，一次性加工完成，制作的無源器件具有體積小、可靠性高等優(yōu)勢［16］。LTCC工藝還具有可進(jìn)行多層連接、提升電子元件密度、陶瓷材料品質(zhì)因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)。

4.2 模型的建立與仿真

在HFSS軟件中建立功分器三維模型，并進(jìn)行電磁仿真，利用其仿真結(jié)果驗(yàn)證模型的可應(yīng)用性。在構(gòu)建模型時，將傳統(tǒng)直線型帶狀線改為螺旋型帶狀線，增大了傳輸線間的耦合，同時達(dá)到減小體積的目的。基于LTCC技術(shù)采用立體疊層結(jié)構(gòu)進(jìn)行帶狀線和接地調(diào)節(jié)板布局，其不同金屬層間利用垂直通孔連接。如圖9a所示，設(shè)置了6個側(cè)邊電極連接輸入、輸出端口及接地調(diào)節(jié)板，便于靈活調(diào)整器件結(jié)構(gòu)和進(jìn)行測試。

圖9 一分二Wilkinson功分器剖面圖

如圖9b所示，筆者設(shè)計(jì)的基于LTCC技術(shù)的Wilkinson一分二功分器共4層，其中Layer1、Layer4為接地調(diào)節(jié)板，均通過GND側(cè)邊電極接地；Layer2、Layer3為帶狀線，兩金屬層間加入了垂直通孔連接。由于采用螺旋線型傳輸線，繞線次數(shù)增加，傳輸線間耦合增強(qiáng)，不需添加切角進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以通過改變接地調(diào)節(jié)板與帶狀線的間距改變阻抗，以調(diào)整端口匹配程度。

最終整體LTCC功分器三維模型如圖10所示，隔離電阻選取100 Ω的貼片電阻置于連接兩輸出端口的側(cè)邊電極間。

圖10 一分二Wilkinson功分器三維模型

模型布局設(shè)計(jì)完成后，通過對各元件位置的不斷細(xì)小調(diào)整，得到的電磁仿真結(jié)果如圖11所示。此功分器工作頻率范圍2.5～3.1 GHz，回波損耗優(yōu)于22 dB，插入損耗優(yōu)于3.5 dB，中心頻率

2.8 GHz處隔離度達(dá)到-37 dB，帶寬范圍內(nèi)隔離度優(yōu)于20 dB。觀察圖11b可以發(fā)現(xiàn)S、S的仿真結(jié)果曲線基本重合，此功分器除具有較好的隔離度外，輸出端口還具備較好的一致性，符合設(shè)計(jì)指標(biāo)且留有余量，可應(yīng)用于實(shí)際制作。

圖11 Wilkinson功分器電磁仿真結(jié)果

4.3 實(shí)物與測試結(jié)果

對此功分器進(jìn)行加工測試，實(shí)物如圖12所示，該器件體積僅3.18 mm×1.58 mm×0.911 mm。

圖12 一分Wilkinson二功分器

測試范圍0.1～4 GHz，測試結(jié)果如圖13所示，可以看出，功分器工作范圍內(nèi)回波損耗S優(yōu)于

19 dB，插入損耗S小于3.5 dB，端口隔離度優(yōu)于20 dB，中心頻率2.8 GHz處隔離度優(yōu)于35 dB，性能較好，符合設(shè)計(jì)指標(biāo)。證實(shí)基于LTCC技術(shù)和立體疊層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的三維立體功分器與傳統(tǒng)平面結(jié)構(gòu)的功分器相比體積小，穩(wěn)定性高。

圖13 Wilkinson功分器實(shí)測結(jié)果

5 結(jié)束語

筆者設(shè)計(jì)的一分二Wilkinson功分器基于LTCC技術(shù)，對傳統(tǒng)直線型傳輸線做出改進(jìn)。在HFSS軟件中進(jìn)行了建模與仿真，并對實(shí)物進(jìn)行加工與測試，測試結(jié)果較好。最終得到的功分器具有21%的相對帶寬，端口隔離度優(yōu)于20 dB，帶寬范圍內(nèi)回波損耗S優(yōu)于19 dB，插入損耗S小于3.5 dB，具有較好的性能，符合設(shè)計(jì)指標(biāo)。通過改變傳輸線形狀，使用貼片電阻大幅減小了體積，電路結(jié)構(gòu)簡單，隔離度較好，器件尺寸較小，與傳統(tǒng)平面結(jié)構(gòu)的功分器相比有大幅度改進(jìn)。

后續(xù)研究方向是便于與其他器件進(jìn)行級聯(lián)，順應(yīng)無源器件設(shè)計(jì)小型化、集成化的發(fā)展趨勢。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］ SAKAGAMI I，WUREN T，F(xiàn)UJII M，et al.A new type of multi-way microwave power divider based on Bagley Polygon power divider［C］//Asia-Pacific Microwave Conference.Seoul（KR），2013.

［2］? KHAIR AL SHAMAILEH，ABDULLAH QAROOT，NIHAD DIB，et al.Analysis and Design of Ultra-Wideband 3-Way Bagley Power Dvider Using Tapered Lines Transformers［J］.International Journal of Micro-

wave Science and Technology，2012，2012：197416-1-197416-6.

［3］? AL SHAMAILEH KHAIR，DIB NIHAD，ABUSHAM-

LEH SAID.A compact coplanar waveguide Wilkinson power divider based on signal traces and adjacent grounds width modulation［J］.Microwave and Optical Technology Letters，2018，60（9）：2224-2227.

［4］? LLORENTE-ROMANO S， GARCIA-LAMPEREZ A，SALAZAR-PALMA M，et al.Microstrip filter and power divider with improved out-of-band rejectionfor a Ku-band input multiplexer［C］//Microwave Conference.2003.

［5］?? VORONIN E N，EMEL′CHENKOV F L，KOTOV YU V，et al.Phased array antenna on aradial waveguide［C］//Antenna Theory and Tevhniques，Ⅳth Internat-

ional Conference.2003：296-318.

［6］?? 鐘慧，張懷武.低溫共燒結(jié)陶瓷（LTCC）：特點(diǎn)、應(yīng)用及問題［J］.磁性材料及器件，2003，34（4）：33-35.

［7］?? MENCIA-OLIVA B，PELAEZ-PEREZ A M，ALMOR-

OX-GONZALEZ P，et al.New technique for the design of ultra-broad bandpower dividers based on tapered lines［C］//2009 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest.Los Angeles（US），2009：493-496.

［8］?? KANG M S，KIM Y，YOON Y C.An Unequal Wilkinson Power Divider with A High Dividing Ratio［C］//2012 7th European Microwave Integrated Circuit Conference.2012.

［9］?? HEYDARI M，ROSTAMI P，ROSHANI S.Design of a Modified Wilkinson Power Divider with Size Reduction and Harmonics Suppression using Triangle-Shaped Resonators［J］.Wireless Personal Communications，2019（3）：1571-1579.

［10］?? IMANI M S，HAYATI M.Compact Wilkinson power divider with extensive suppression of harmonic，using a combination of trapezoidal，circular and rectangular resonators［J］.AEU：Archiv Fur Elektronik und Ubertragungstechnik：Electronic? and? Communication，2021，140：153935.

［11］ ??ZHU H，CHENG Z， GUO Y J. Design of Wideband InPhase and OutofPhase Power Dividers Using MicrostriptoSlotline Transitions and Slotline Resonators［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2019， 67（4）：1412-1424.

［12］?? 楊斌，王榮，張晗，等.LTCC材料及其器件——產(chǎn)業(yè)發(fā)展與思考［J］.電子元件與材料，2021，40（3）：205-210.

［13］?? 傅顯惠，劉德喜，趙紅霞，等.2～18 GHz LTCC小型化功分器的設(shè)計(jì)［C］//中國電子學(xué)會.2020年全國微波毫米波會議論文集（下冊）.中國電子學(xué)會：中國電子學(xué)會微波分會，2020：13-20.

［14］? PRATIK MONDAL， SUSANTA KUMAR PARUI.Wideband coupled resonator based ultrawideband 3dB power divider［C］//2017 IEEE Applied Electromagnetics Conference（AEMC）. Piscataway，NJ，2017：282-299.

［15］ 清華大學(xué)《微帶電路》編寫組.微帶電路［M］.北京：人民郵電出版社，1976.

［16］ 楊邦朝，付賢民，胡永達(dá).低溫共燒陶瓷（LTCC）技術(shù)新進(jìn)展［J］.電子元件與材料，2008，27（6）：1-5.

（收稿日期：2023-03-21，修回日期：2023-04-13）

Design of 2way Power Divider Based on LTCC Technology

HU Yuting1， HOU Ming1， LI Xiaozhen2， XU Kaixin1， ZHANG Yang1

（1.Faculty of Information Engineering and Automation， Kunming University of Science and Technology；

2. School of Information Engineering， Kunming University）

Abstract?? Considering requirement of the minimization， design of miniaturized 2way power divider was proposed， which has Wilkinson power divider structure based to replace the conventional linear transmission line with a spiral line transmission line， including having LTCC（low temperature cofired ceramic） technology adopted to miniaturize the power divider design. In the modeling， a 3D stacked structure was used to lay out the transmission lines inside the power divider， and the vertical throughhole were used to connect different metal layers within the power divider， which greatly reduced the size of the power divider compared with the divider with traditional planar structure. 3D model building and EM simulation done in HFSS software and processing and testing the final designed power divider show that， its return loss（RL） is less than 19 dB， insertion loss（IL） is less than 3.5 dB and the isolation at the center frequency of 2.8 GHz is better than 35 dB. The good isolation can satisfy the performance requirements of the 2way equal division power divider which boasting of the size of 3.18 mm ×1.58 mm ×0.911 mm only.

Key words?? 2way power divider， LTCC， spiral line structure， RL， IL， center frequency， isolation