基于SiGe工藝多抽頭電感結構的緊湊型Wilkinson功分器

摘" 要： 為了解決傳統Wilkinson功分器損耗高、尺寸大的問題，從功分器的理論分析出發，將傳統的微帶線結構和LC集總式結構進行改進，在隔離電阻處引入頻率補償電容，設計一種新型的多抽頭電感結構的緊湊型寬帶二等分功分器。所設計的功分器基于0.18 μm SiGe BiCMOS工藝。射頻/微波電磁仿真顯示，在8～16 GHz的頻帶范圍內，功分器的分配損耗小于0.8 dB，隔離度大于20 dB，端口回波損耗大于15 dB，核心電路版圖面積僅為0.30 mm×0.25 mm，可滿足寬帶功分器低損耗、小型化、高隔離度的設計要求。

關鍵詞： Wilkinson功分器； 多抽頭電感； SiGe工藝； 二等分結構； 補償電容； 低損耗； 小型化

中圖分類號： TN454?34" " " " " " " " " " " " " " "文獻標識碼： A" " " " " " " " " " " 文章編號： 1004?373X（2024）10?0013?05

A multi?tap inductor compact Wilkinson power divider based on SiGe technology

Abstract： In order to solve the problems of high loss and large size of traditional Wilkinson power dividers， starting from the theoretical analysis of power dividers， a new compact broadband equal division power divider with multi tap inductor structure is designed by improving the traditional microstrip line structure and LC lumped structure， and introducing frequency compensation capacitors at the isolation resistor. The designed power divider is based on 0.18 μm SiGe BiCMOS process， and the RF/microwave electromagnetic simulation shows that in the frequency band range of 8?16 GHz， the distribution loss of the power divider is less than 0.8 dB， the isolation degree is greater than 20 dB， the port return loss is greater than 15 dB， and the core circuit ayout area is only 0.30 mm × 0.25 mm， which can meet the design requirements of low loss， miniaturization， and high isolation of broadband power dividers.

Keywords： Wilkinson power divider; multi?tap inductor; SiGe process; binary structure; compensation capacitance;" low loss; miniaturization

0" 引" 言

功分器作為射頻/微波系統中最為常見的無源器件之一[1]，主要功能是實現通道間功率的合成和分配[2]。功分器有很多種，最為常見的是Wilkinson功分器，其具有結構簡單、易于集成、隔離度高等優點[3]，但也受到頻率帶寬的限制。為增加功分器的帶寬，可以通過增加多節阻抗變換實現。隨著集成電路系統高頻段、超寬帶、小型化的發展趨勢[4]，多節Wilkinson功分器中的[λ4]波長傳輸線不再適合使用微帶線結構[5]。這種情況下，通常會采用LC集總元器件代替[λ4]傳輸線。相比微帶線結構而言，LC集總式結構總體面積會有所減小，但電路節數并不會減少，并且同等節數集總式電路的損耗會比微帶線結構略大一些。

為了同時實現小型化和低損耗的設計要求，文中提出了一種新型多抽頭電感結構的緊湊型寬帶功分器[6]。本設計以實際項目需求為背景，采用國內某0.18 μm SiGe BiCMOS工藝，設計實現了一款性能良好的8～16 GHz緊湊型二等分功分器芯片。

1" Wilkinson功分器理論分析

傳統的Wilkinson功分器原理圖如圖1所示。圖1b）為多節二等分結構。以圖1a）單節結構為例，輸入端口和輸出端口分別為特性阻抗Z0=50 Ω的傳輸線，中間的分支結構由2根電長度為[λ4]、特性阻抗為Z1的傳輸線以及隔離電阻R組成[7]。

當信號由端口1輸入時，經過分支網絡分為兩路等幅同相的信號，由端口2、端口3輸出；反之，當兩路等幅同相的信號由端口2和端口3輸入時，功率合成由端口1輸出。

根據功分器端口匹配的三個條件[8]，可以得到圖1a）中單節二等分Wilkinson功分器的各項參數公式為：

式中：k為比例因子，二等分時k取值為1；Z1=70.7 Ω；隔離電阻R=100 Ω。

單節功分器設計簡單，具有插損小的優點，但頻帶較窄，隔離度不高。當使用單節結構設計寬帶功分器時，電路的參數指標會惡化，這時可以通過增加功分器節數來擴大帶寬，提高隔離度[9]。表1總結了多節功分器的設計參數，其中[f2f1]為比例帶寬，N為節數， ISO（min）為理想時最小隔離度。通過查詢表1可以得到功分器各節的[λ4]傳輸線特性阻抗和隔離電阻。

2" 傳統設計方案

2.1" 微帶線結構

本設計的工作帶寬為8～16 GHz，比例帶寬為2，相對帶寬為66.67%。由表1可知傳統設計至少需要2節結構，如圖2a）所示。

圖2a）中Z1=81.99，Z2=60.99。在確定了工藝以及已知傳輸線中心頻率、特性阻抗和電長度的情況下，可以根據參考文獻[10]計算出傳輸線的寬度和長度，得到第一節傳輸線寬度W1=38.30 μm、長度L1=2 598 μm，第二節傳輸線寬度W2=91.41 μm、長度L2=2 521 μm，如圖2b）所示，電路版圖面積約為1.0 mm×0.9 mm。圖3為圖2b）版圖的電磁仿真后的結果[11]，插入損耗最大值為4.5 dB（含3 dB固有損耗），隔離度大于17 dB，端口回波損耗≥13 dB。

2.2" LC集總結構

為了減小微帶線結構的電路版圖面積，通常將[14]波長傳輸線進行集總參數的等效，采用LC元件代替原來的[14]波長傳輸線[12]。圖2的集總式等效電路如圖4所示。采用平面螺旋電感和MIM薄膜電容等效電長度[λ4]傳輸線，雖然可以實現電路小型化，但并不能減小電路的節數。引入過多的電感會引起寄生效應，并且其Q值也是有限的，對于2節電感而言，損耗要比2節微帶線損耗略高。圖5為圖4a）版圖的電磁仿真后的曲線，版圖面積為0.6 mm×0.5 mm，但插入損耗最大值為5.1 dB（含3 dB固有損耗）。

3" 多抽頭電感結構功分器設計

3.1" 多抽頭電感

圖6展示了基于多抽頭電感結構的功分器及其等效原理圖。多抽頭電感，顧名思義，除了輸入輸出兩個端口外，在電感內部引出若干抽頭。本設計使用的是五抽頭電感，將一個平面螺旋電感等效為4個電感，這4個等效電感各自的有效電感量等于自感量與互感量之和，公式如下：

式中：[Lsi]為第i段等效電感的自感量；[Mij]為第i段與第j段等效電感之間的互感量。抽頭電感的總電感量等于各等效電感的有效電感值之和。抽頭位置的微小調整將導致電感值發生較大的變化。

電容和抽頭之間的互連網絡構成了4節等效LC功分器，電路尺寸相當于單節LC結構大小，內部卻等效為4節LC功分器，在實現小型化的同時，還降低了電路的無源器件的損耗，拓寬了頻率范圍，提高了功分器的隔離度。

3.2" 多抽頭電感功分器設計

多抽頭電感功分器的電路結構如圖6a）所示，電路以中心縱軸呈左右對稱，其中包含2個相同的多抽頭電感、6個接地電容以及1個電阻R和2個補償電容Cr組成的隔離網絡。等效電路如圖6b）所示。相比傳統單一隔離電阻，這種電阻、電容串聯的隔離網絡有兩大作用：一是，可以實現低頻段的耦合抑制功能，從而提升低頻段端口之間的隔離度，擴展功分器帶寬；二是，加入的補償電容可以參與端口匹配，優化電路的端口回波損耗。

根據元件功能和類別，多抽頭電感功分器設計可分4步完成。

1） 確定多抽頭電感的感值大小。由文獻[13]知：

可以根據特性阻抗和中心頻率得到電感的初始值。以中心頻率12 GHz為準，可得電感約為3.6 nH，進而得到一個初始平面螺旋電感。

2） 確定抽頭位置。本設計中的電感除去輸入輸出端口，還有3個抽頭，確定電感金屬線中心位置為中心抽頭。另外2個抽頭擬定在電感金屬線的[14]和[34]處，可以根據等效電感的大小進行微調。

3） 確定接地電容的大小。由文獻[14]知：

可以根據特性阻抗和中心頻率能夠得到電容的初始值。以中心頻率12 GHz為準，可得接地電容初始值約為0.2 pF，電路仿真時根據結果進行微調。

4） 確定隔離電阻R和補償電容Cr的大小。按照式（2）可得到R=100 Ω。補償電容對插入損耗影響非常小，容值大小根據具體電路實際迭代優化得到。

4" 結果分析

根據各元件初始值搭建版圖電路。版圖的布局需要考慮到2個螺旋電感的間距，保證空間利用率和空間耦合達到平衡。通過電磁仿真優化，對電容、電感以及抽頭位置進行微調。圖7為最終得到的功分器版圖，核心電路版圖面積僅為0.3 mm×0.25 mm。該功分器的性能指標結果如圖8所示。由圖8可以看出，在8～16 GHz通帶內，插損最大值為3.8 dB（含3 dB固有損耗），隔離度≥20 dB，輸入回波損耗≥15 dB，輸出回波損耗≥20 dB。相同頻率下無論電路版圖面積還是電路性能，多抽頭電感結構的功分器都要遠優于傳統的微帶線結構和LC集總結構功分器。

將本文設計與不同文獻中類似頻段功率分配器的性能指標進行對比，結果如表2所示。可以看出，本文設計的功分器性能優良，在帶寬和尺寸上極具優勢。

5" 結" 語

通過對功分器的理論分析，基于SiGe BiCMOS工藝，經過射頻/微波電磁仿真，設計了一款新型結構的一分二緊湊型功分器。功分器采用多抽頭電感結構，并在隔離網絡處引入了頻率補償電容。該電路拓撲結構非常新穎且設計簡單，能夠使功分器的損耗、帶寬和面積得到極大的提升。后續會繼續使用該新型結構設計一分四、一分八等功分器，實現多分路功分器的高性能化和小型化。

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