一种具有谐波抑制的电可调功分器

陈涛，杨涛，杨自强，刘文豹

电子科技大学电子工程学院，四川成都 611731

通信设备的可调性和小型化是射频微波技术领域面临的巨大挑战。多工作频段器件或系统的研究与设计是目前发展趋势，在此背景下，一些研究人员提出了多种具有可调特性的射频元件，如移相器［1-3］、阻抗变换器［4-5］、滤波器［3］，功分器［6-8］等。

1 电可调功分器原理

经典的三端口Wilkinson功分器如图1所示，由1个T型节和2个输出阻抗变换器以及一个隔离电阻构成［9］。图2给出了文中提出的功分器结构。与Wilkinson功分器相比较，该拓扑结构分为2个部分:输入阻抗变换部分，输出阻抗变换部分。先通过输出匹配将负载阻抗变换到一个中间值，再通过输入阻抗变换器将这个中间值匹配到源阻抗。与Wilkinson功分器不同，该结构不是将负载阻抗直接匹配到源阻抗，双阻抗变换增加了设计的灵活度。如果输入输出阻抗变换器同时可调，则功分器就能够获得可调特性。

图1 经典二等分Wilkinson功分器

图2 电可调功分器原理

目前，电可调谐的阻抗变换器已经实现，阻抗变换器将变容二极管替代电容获得电调谐的特性［4］。众所周知，当变容二极管的偏置电压发生变化，其等效电容的大小相应发生改变。由微波网络原理可知，当变容二极管应用在T型阻抗变换器中时，T型阻抗变换器的等效特征阻抗会随二极管反向偏置电压的变化而变化。同时，复阻抗变换网络的等效电长度也是随反向偏置电压的变化而变化。T型阻抗变换器的这种特性让设计可调的功分器成为可能。

如图2所示，文中提出的功分器由输入阻抗变换器和输出阻抗变换器2个不同的部分构成，功分器的设计分析如下所述:

1.1 输入阻抗匹配

图3(a)给出了输入阻抗匹配(调谐模块)的等效电路，它由一个小尺寸的T型混合参数复阻抗变换器构成。结合图3(a)，将输入阻抗变换网络的输出端看进去的阻抗称做Zout，通过选取合适的微带线尺寸和电容大小，可以使 Re(Zout)＜50 Ω，Imag(Zout)＜0。

1.2 输出匹配

输出阻抗变换电路的等效电路如图3(b)所示，将输出阻抗变换器看进去的阻抗叫做Zin，两路相同阻抗变换器并联，则由J点看进去的阻抗为Zin/2，合理选择L与C的大小可以使Re(Zin/2)＜50 Ω，Imag(Zin/2)＞0［10］。该结构与低通滤波器结构相似，因此具有抑制谐波频率的特性，尤其对二倍谐波频率具有较强的抑制能力。

图3 阻抗匹配等效电路

1.3 模块之间的匹配

当Zin/2=满足时能够获得输入输出的最佳匹配。此时，由于输出两路完全相同，因此可实现功率等分。

若使Zin/2=，2个阻抗变换器需要的等效电容值不同，因此，相应的二极管偏置电压不同，需要分别对输入阻抗变换和输出阻抗变换提供不同的偏置电压。这会导致两级匹配电路之间需要隔直处理，进而增加电路的复杂程度。为了简化电路，整个电路只采用一个偏置电压，这样就导致输入和输出变换不能够实现理想的共轭匹配。为实现较好的前后级匹配，在设计过程中用ADS软件对微带线尺寸及集总参数器件的取值进行优化。

此外，由于输出阻抗变换器不再具有90°的电长度，因此隔离电阻不再是100 Ω，而应该由实际采用的T型变换器和设计的可调谐范围共同决定。

2 实现与仿真测试

为了证实该可调功分器的可行性，进行实物加工并完成测试。设计的工作频段在600～1900 MHz。该设介质板计采用Rogers4350，其介电常数为 3.66，损耗倒切角 0.0037，介质板厚度为0.508 mm，铜的厚度0.012 mm。在输入匹配网络中，微带线的阻抗为96 Ω，对应线宽为0.3 mm。值得注意的是，微带线阻抗越大，整个匹配网络的尺寸越小，但是损耗也越大，并且对制造工艺的要求也越高。二极管选用英飞凌BBY51，当反向偏置电压从1 V变化到28 V时，等效电容从6.6 pF变化到0.55 pF。输出匹配网络中使用电感的电感值大小为6 nH，隔离电阻阻值为70 Ω。在实现中为减小焊盘的寄生参数影响，使用贴片电阻、贴片电感与贴片变容二极管，并将电容电感焊盘对应的地挖掉。实物如图4所示，仿真结果如图5所示，主要描述了不同偏置电压下的回波损耗，插入损耗以及隔离度。

图4 实物

图5 不同电压下的部分仿真S参数

3 实验结果分析

实物最终采用Rohde＆Schwarz ZNC矢量网络分析仪进行测量，测试结果如图6所示，仿真与测试结果均由一簇曲线描述，不同的曲线对应不同的偏置电压。

图6 不同偏压的部分测试S参数

从仿真和测试S参数可以看出，仿真结果与测试结果具有很好的一致性。该功分器实现了从600～1900 MHz的调谐带宽，在整个调谐带宽内，仿真得到的1端口反射系数S11均优于－20 dB，而实际测试得到的结果显示S11在整个工作频段优于－15 dB。在整个工作带宽内，传输系数S21、S31均大于－4 dB，在整个调谐带宽内有0.5 dB的波动，这种波动，与变容二极管的特性直接相关。当二极管的反偏电压小时，二极管等效电路中的串联电阻小，因此，整个电路的损耗大;当二极管的反偏电压大时，二极管等效电路中的串联电阻大，因此，整个电路的损耗小。此外，由仿真及测试结果可知，在整个工作频带，隔离度均优于－22 dB，并且整个电路对二次谐波具有良好的抑制效果。

4 结束语

采用复阻抗变换技术设计并实现了一种可调的等功分功分器，该功分器能够实现中心频率从600～1900 MHz的宽带可调功能。该功分器具有良好的谐波抑制性能，并且具有结构紧凑的特点，该结构可以成为一种宽带可调谐功分器的应用方案。

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