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平面短截线结构小型功率分配器
录入时间:2021/12/6 17:26:05

Miniaturized Power Divider with Planar Stub Structures

R.El-Bouslemti, Ecole Nationale Polytechnique d'Oran, Algeria and F. Salah-Belkhodja, Djillali Liabes University, Algeria

(12月9-10日在深圳举办的电子设计创新大会也将有相关议题,点此了解

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两款新设计的微带威尔金森功率分配器采用短截线结构,实现了小型化。该分配器工作在2.5GHz,只占用15.6×17.6 mm的面积。实测和仿真结果之间有很好的一致性,证明了相对于经典设计的性能改进。

用于毫米波频率的波导传输线最近在许多应用中被平面结构取代。1-3 平面结构已被证明是实用的,因为有可能在其表面添加有源或无源器件,将无源器件集成到电路中是未来设备和系统小型化的主要目标。

平面结构的微带和带状传输线具有理想的特性,如成本低、重量轻、体积小、兼容集成电路、可靠性更高和良好的可重复性。3,4 最常见的是微带,4,5 它的一面(即地平面)是完全金属化的电介质基底,另一面是金属带。

平面功分器的主要优点是易于与其他技术集成,并能承受相对较高的功率。其平面结构支持批量加工,降低了制造成本。它表现出良好的端口对端口的隔离和适度的损耗。一个缺点是设计中通常需要一个四分之一波长(λ/4)的传输线。

最流行的功率分配器结构是威尔金森结构(1)。4 它是由一个与特征阻抗Z0相匹配的输入端口,两条特征阻抗Z=√2Z0的λ/4线和两个与Z0相匹配的输出端口组成。一个电阻(R=2Z0)连接两个输出端口,以处理输出功率不平衡的问题。5 多年来,人们采用了不同的技术来缩少经典威尔金森结构的尺寸,包括使用平面人工传输线6、缺陷地面结构7、分形结构8、电容性负载9、集总元件10和短截线11-13。本项工作使用了短截线。

 

1 功率分配器信号流(a)和威尔金森结构(b)。

微带功率分配器的设计

经典的威尔金森功率分配器是介电基底上的一条微带线(2)。本文提出的带短截线的微带功率分配器如图3

 

2 经典的威尔金森功率分配器结构。

 

3 带短截线的微带功率分配器(a),短截线单元(b),带开放短截线的功率分配器(c)和带交叉短截线的功率分配器(d)。

有几个参数表征了微带传输线和功率分配器的性能。假设是准TEM传播模式,14 微带中的相位速度由以下公式给出:

 

c是光速,εeff是有效相对介电常数,对于微带线来说,通常为2.9。15 传输线的特征阻抗Z0由以下公式给出:14

 

W⁄h≥1,W是导电线的宽度(图3),h是电介质基底的高度。

在微带中,只有主导的(即准TEM)模式在传播。表面波是不想要的,因为它们与准TEM模式耦合。它们只有在频率为fs时才变得重要:2

 

通过在低于第一个高阶模式的截止频率的频率下工作,可以避免高阶模式的激励,该频率为:16

 

在实践中,微带线的工作频率是由:14

 

并通过以下方式计算得到的:

 

最终设计参数和仿真

图3显示了分配器原型的平面设计。它是一个具有平面输入/输出端口的半三板(half tri-plate)环形器结构17。这项工作的目标之一是在输入/输出端口实现接近50Ω的特征阻抗。根据耦合角和中心圆半径,输入/输出线的宽度W如下:

 

输入/输出端口线的宽度调整为W=3mm,以达到50Ω的特征阻抗。使用Ansoft HFSS对表1中的参数进行优化,两个功率分配器的仿真结果见4

 

 

4 带有开放(a)和交叉(b)短截线的功率分配器的仿真频率响应。

分配器原型很容易制造。它们所占的面积分别只有15.6×18.8毫米和15.6×17.6毫米,与经典的威尔金森分配器相比,尺寸缩小了约93%。

实验结果

功率分配器原型是在FR4基板上制作的(εr=4.5,h=1.6mm)。5显示了制作的原型和传统的威尔金森功率分配器。在两个输出端口之间放置了一个表面贴装电阻以提高隔离度。测量时使用了Keysight E5071C网络分析仪,6-9比较了实测和仿真的性能,两者之间有良好的一致性。在两个原型的实测性能中几乎没有观察到差异。在工作频率上,|S21|和|S31|都在-3.4dB左右。开放(open-ended)和交叉(cross-ended)短截线分配器的|S11|分别为-25.75dB和-27.64 dB;输出端口之间的耦合|S23|则分别是-26.35 dB和-28.25 dB。10显示了分配器原型输出端口之间的实测相位差。在2.5GHz的工作频率范围内,输出相位差为0度。

 

5 经典威尔金森功率分配器(左)与2.5GHz短截线负载功率分配器(右)。

 

6 开放短截线功率分配器原型的实测与仿真的反射性能:|S22|(a),|S33|(b)和|S11|(c)。

 

7 开放短截线功率分配器原型的实测与仿真的传输性能:|S21|(a),|S31|(b)和|S23|(c)。

 

8 交叉短截线功率分配器原型的实测与仿真的反射性能:|S 33|(a),|S 22|(b)和|S 11|(c)。

 

9 交叉短截线功率分配器原型的实测与仿真的传输性能:|S 21|(a),|S 31|(b)和|S 23|(c)。

 

10 功率分配器原型的输出端口2和3的相位差。

11显示了经典威尔金森功率分配器的实测与仿真性能。短截线设计的隔离性能相对于经典威尔金森提高了20dB(12)。输入和输出的反射特性(|S11|、|S22|和|S33|)得到了优化,而|S21|和|S31|接近3dB的理想值。

 

11 经典威尔金森功率分配器的实测与仿真的|Sxx|。

 

12 原始、交叉短截线和开放短截线功率分配器的|S23|。

结论

新设计的威尔金森功率分配器使用了一个紧凑的短截线结构,尺寸缩小了93%。两个稍有不同的原型设计的实测性能与仿真结果非常吻合,而且相对于经典设计没有妥协。实际上,输出端口的隔离度提高了20dB。

鸣谢

本工作得到了阿尔及利亚科学研究和技术发展总局(DGRSDT)的支持。

参考文献

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  2. J. S. Hong and M. J. Lancaster, Microstrip Filters for RF/Microwave Applications, John Wiley & Sons, 2001.
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  4. K. C. Gupta, R. Garg, I. Bahl and P. Bhartia, Microstrip Lines and Slotlines, Second Edition, Artech House, 1996.
  5. D. M. Pozar, Microwave Engineering, Fourth Edition, John Wiley & Sons, 2012.
  6. T. Yang, C. Liu, L. Yan and K. M. Huang, “A Compact Dual-Band Power Divider Using Planar Artificial Transmission Lines for GSM/DCS Applications,” Progress in Electromagnetics Research Letters, Vol. 10, 2009, pp. 185–191.
  7. H. Oraizi and M. S. Esfahlan, “Miniaturization of Wilkinson Power Dividers by Using Defected Ground Structures,” Progress in Electromagnetics Research Letters, Vol. 4, 2008, pp. 113–120.
  8. N. Gupta, P. Ghosh and M. Toppo, “A Miniaturized Wilkinson Power Divider Using DGS and Fractal Structure for GSM Application,” Progress in Electromagnetics Research Letters, Vol. 27, January 2011, pp. 25–31.
  9. M. C. Scardelletti, G. E. Ponchak and T. M. Weller, “Miniaturized Wilkinson Power Dividers Utilizing Capacitive Loading,” IEEE Microwave and Wireless Components Letters, Vol. 12, No. 1, January 2002, pp. 6–8.
  10. M. Heydari and S. Roshani, “Miniaturized Unequal Wilkinson Power Divider Using Lumped Component Elements,” Electronics Letters, Vol. 53, No. 16, August 2017, pp. 1117–1119.
  11. M. Hayati and S. Roshani, “A Novel Wilkinson Power Divider Using Open Stubs for The Suppression of Harmonics,” ACES Journal, Vol. 28, No. 6, June 2013, pp. 501–506.
  12. X. Wang, M. Ohira and Z. Ma, “Coupled Microstrip Line Wilkinson Power Divider with Open-Stubs for Compensation,” Electronics Letters, Vol. 52, No. 15, July 2016, pp. 1314–1316.
  13. C. H. Tseng and C. H. Wu, “Compact Planar Wilkinson Power Divider Using P-Equivalent Shunt-Stub-Based Artificial Transmission Lines,” Electronics Letters, Vol. 46, No. 19, September 2010, pp. 1327–1328.
  14. I. J. Bahl and D. K. Trivedi, “A Designer’s Guide to Microstrip Line,” Microwaves, May 1977, pp. 174–180.
  15. K. L. Kaiser, Electromagnetic Compatibility Handbook, CRC Press Edition, 2–28, 2004.
  16. G. D. Vendelin, “Limitations on Stripline Q,” Microwave Journal, Vol. 13, No. 5, May 1970, pp. 63-69.
  17. H. Bosma, “On Stripline Y-Circulation at UHF, Microwave Theory and Techniques,” IEEE Transactions, Vol. 12, No. 1, January 1964, pp. 61–72.

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