一种新颖的双频不等分威尔金森功率分配器

栾前进　李静　金山

摘 要： 给出了设计双频不等分威尔金森功分器的一种方法。该功率分配器在任意两个频点上实现任意功率分配比的同时，兼顾传统功率分配器的各项特性。给出了该功率分配器的结构以及各项设计参数的解析公式。仿真与实验结果证明了本文设计方法的有效性。

关键词： 功率分配器； 双频； 不等功分； S参数

中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）01?0140?04

Abstract： The design method of the unequal dual?frequency Wilkinson power distributor is offered in this paper. The power divider can attend to the characteristics of traditional power distributor while it achieve discretional power distribution ratio between two frequency points. The structure of this power divider and analytical formulas of the designed parameters are given in this paper. Simulation and experimental results demonstrate the effectiveness of this method.

Keywords： power divider； dual frequency； unequalpower division； S parameter

0 引 言

功率分配器是微波毫米波领域中应用最为广泛的无源器件之一。文献[1]通过遗传算法数值拟和得出了一种双频不等分功分器的设计方法，这是一种没有明确解析公式但数值上近似的设计方法。本文将提供一种具有明确解析公式的双频不等分功分器设计方法，其理论基础是Monzon的双频传输线理论[2]。基于这一理论，文献[1]提出了双频等分功分器的设计方法，该方法使用奇偶模理论进行分析，并不适用于不等分功分器的设计。本文所设计的功分器可以在任意两个频率点[f1]和[f2，]以任意的功率分配比工作。为了验证设计的有效性，本文分别制作了以2[∶]1和1.5[∶]1的分配比工作在频率为0.9 GHz和1.8 GHz的两个功分器，以及以2[∶]1的分配比工作在频率为0.915 GHz和2.45 GHz的功分器。

1 理论分析

传统的Wilkinson不等分功率分配器工作在基频[f1]和其奇次谐波处，因此在某些双频场合并不实用。应用Monzon的双频传输线理论，将传统Wilkinson功分器的每个[14]波长分支用两段特性阻抗分别为[Z1]和[Z2，]长度均为[L]的双频传输线替换，即可得到双频不等分功率分配器。这种以任意功率分配比工作在任意两个频率的功率分配器的原理图如图1所示。

2 实验验证

设[Z0]为50 Ω，双频不等分Wilkinson功率分配器制作在介电常数为2.65，厚度为1 mm的介质板上。第一个功率分配器设计为以2[∶]1的功率分配比工作在[f1=]0.915 GHz和[f2=]2.45 GHz处；第二个功率分配器设计为以2[∶]1的功率分配比工作在[f1=]0.9 GHz和[f2=]1.8 GHz处；第三个功率分配器设计为以1.5[∶]1的功率分配比工作在[f1=]0.9 GHz和[f2=]1.8 GHz处。相关模型经由Ansoft HFSS仿真，并用Wiltron 37629A矢量网络分析仪对加工实物进行了测试。

首先计算第一个功率分配器的各项参数，当[K=]2时，根据式（2）和（3），得[Zina=]150 Ω和[Zinb=]75 Ω，输出端口分别匹配在[Zout2=]70.7 Ω和[Zout3=]35.3 Ω。由式（5）和（9）得每一段传输支节的长度[L=]30.04 mm。利用式（6）～（8），四段传输支节的特性阻抗[Z1，][Z2，][Z3，][Z4]分别为：[Z1=]107.56 Ω，[Z2=]98.6 Ω，[Z3=]53.74 Ω，[Z4=]49.26 Ω。根据式（4），两端口间的平衡电阻[R=]106 Ω。图2即为加工实物照片，基板面积为60 mm×77.9 mm。相关[S]参数的仿真与测量结果见图3。

图3说明仿真结果与实测数据非常接近，在0.915 GHz处功率分配比达到2[∶]1，在2.45 GHz处达到1.9[∶]1。实测[S21]在0.915 GHz处为-5.09 dB，在2.45 GHz处为-4.94 dB，实测[S31]在0.915 GHz处为-2.06 dB，在2.45 GHz处为-2.17 dB。实测的[S21]和[S31]比理想值-4.77 dB、-1.76 dB略高。这可能是因为特性阻抗[Z1]大于100 Ω，较高的特性阻抗导致微带线过窄，进而引入了更高的插入损耗。输入端口的回波损耗在0.915 GHz处为-20.8 dB，在2.45 GHz处为-26.6 dB。与此同时，输出端口2和3之间实现了理想的隔离，在两个频点处均大于30 dB。实测曲线的峰值略微偏离0.915 GHz 和2.45 GHz，这是因为实验中所用负载为[Z0，]而非[KZ0]和[Z0K。]

3 结 论

本文给出了双频不等分功率发配器的设计方法，实验结果验证了该方法的有效性。本文所设计的功分器可广泛应用在移动通信、射频识别等领域，具有很好的应用前景。

参考文献

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