小型化任意相位差功率分配器设计*

贺　庆，娄小平，祝连庆，，3*

（1.北京信息科技大学光电测试技术北京市重点实验室，北京100101；2.北京信息科技大学光电信息与仪器北京市工程研究中心，北京100101；3.北京信息科技大学生物医学检测技术及仪器北京实验室，北京100101）

固态电子器件及材料

小型化任意相位差功率分配器设计*

贺庆1，娄小平2，祝连庆1，2，3*

（1.北京信息科技大学光电测试技术北京市重点实验室，北京100101；2.北京信息科技大学光电信息与仪器北京市
工程研究中心，北京100101；3.北京信息科技大学生物医学检测技术及仪器北京实验室，北京100101）

提出了一种小型化的任意相位差功率分配器结构。该电路结构由五段微带线和1个匹配电阻组成。通过调节传输线段的设计参数，该功率分配器可以实现指定的相位差和功分比信号输出。利用奇偶模分析技术，推导出了该结构的闭式计算公式。为了验证该结构的可行性，在1 GHz工作频率上对其进行了两次建模仿真。研究结果证明：该设计可以实现两路功率比和相位差可控的信号输出。

微波元件；功率分配器，任意相位差；不等分；奇偶模分析

在射频技术应用中，信号的功率和相位是表征信号特征的两个重要参数。对于信号功率和相位的精确控制模块是射频系统设计中必不可少的组成部分［1］。功率分配器作为一种传统的微波无源器件，是实现信号功率控制功能的主要微波器件之一［2-4］。其优点在于：各端口完美匹配，输出端口间理想隔离以及可将输入信号功率无耗地按照一定比例分配到输出端口。因此，其广泛应用于高效率功率放大器［5］，天线馈电网络［6］和平衡混频器［7］的设计中。随着无线通信的快速发展，功率分配器在端口匹配［8］、多输出端［9］、多频段［10-12］等方向上快速发展。

然而以往的功率分配器，仅可以实现对于信号功率的分配，而无法兼顾信号的相位差控制。因此限制了其实际应用的范围。在高效率放大器［13］、Butler矩阵［14，15］和测向系统［16］中，往往需采用功率分配器和移相器相结合的方案来完成对功率和相位的调节。这无疑增加了系统的复杂性。

项目来源：长江学者和创新团队发展计划项目（IRT1212）；北京市属高等学校创新团队建设与教师职业发展计划项目（IDHT20130518）；北京信息科技大学校科研基金项目（1625003）

收稿日期：2016-03-13修改日期：2016-04-25

本文提出了一种小型化的任意相位差功率分配器结构。该结构由即可实现对信号功率的分配同时又可实现输出信号相位差的控制。借助ADS软件，仿真验证了该理论的正确性。

1　小型化任意相位差功率分配器结构与分析

提出的小型化任意相位差功率分配器结构如图1所示。

图1　小型化任意相位差功率分配器结构图

该结构具有轴对称性，其中4条传输线连成环形，输入端口Port1，输出端口Port2、Port3以及匹配电阻R分别连接在4段传输线间的交接处，第5段传输线并联于右侧传输线段中心。5段传输线的特征阻抗和电长度分别在图中表示为Za，Zb，Zc，Zd和θa，θb，θc，θd。匹配电阻R等于端接阻抗Z0。

根据结构的对称性，利用奇偶模分析的方法，将该电路分解为奇、偶模等效电路，如图2所示。

图2　该结构的奇偶模等效电路结构图

分别求得奇偶模等效电路的传输矩阵（ABCD矩阵）为：

其中：

式中的下标e、o分别代表偶模和奇模。根据奇偶模理论，等效电路模型的传输参数T和反射参数Г可表示如下［9］：

据此可以得到归一化后的散射参数（S参数）.

为了保证功率分配器的输入端口匹配和输出端口间隔离，应使S11和S32为0。根据设计目标，令两路输出信号间的功分比为|S21|/|S31|=G，相位差为∠S21-∠S31=ψ。经整理后，ABCD矩阵的关系如下：

将式（1）、式（2）代入式（6）可求得各传输线的设计参数表达式如下：

式（7）即为小型化任意相位差功率分配器的设计公式。其中θc，θd为自由变量，可根据实际需要，对结构设计进行优化。对于给定的功分比G和相位差ψ，代入式（7）中即可计算出各段传输线的特征阻抗和电长度参数，从而得到所需要的电路模型。该结构∠S21-∠S31可实现的相位差ψ范围为（0，π）。当要求另外半周相位差时，通过交换两输出端口位置，即∠S31-∠S21，便可得到。

2　仿真验证

利用仿真软件AD2009对所提出的模型进行了两组仿真验证。为了简化说明，两组仿真实例中，端口阻抗均采用50 Ω，工作频率设定为1 GHz。工作带宽定义为S参数满足以下条件的频率范围：|S11|＜-10 dB，|S32|＜-10 dB，|S21/（GS31）|＜0.7 dB，|∠S21-∠S31-ψ|＜5°。

2.1实例1

在第1实例中，设定功率分配器为等功率输出，即功分比为1，相位差为90°。经过优化后，令θc，θd分别为60°和19°。将该参数代入式（7），可求得结构中各段传输线的特征阻抗和电长度，如表1所示。

表1　实例1和实例2中各段传输线的特征阻抗和电长度

根据以上设计参数在ADS2009软件中对其建模，仿真所得S参数曲线如图3所示。

图3　实例1的仿真结果

由仿真结果可见：在工作频率处，S11和S32均小于-40 dB，达到了完美的匹配和理想的隔离。同时，该功分器将信号功率均分至两个输出端口，信号间相位差为90°，实现了预期的功能。因此该结构既保留功率分配器的原有功能，又实现了指定的输出相位差。经测量本仿真实例的比例带宽约为24.8%。

经观察可发现，本仿真中的设计目标与经典定向耦合器相似。但其带宽比定向耦合器更宽（传统定向耦合器比例带宽约22.2%），电路尺寸有所减小。因此，本组仿真也可看成是对传统定向耦合器的一种优化改进。

2.2实例2

在实例2中，为了同时验证该结构的不等分功率比和任意相位差特性，设定两输出信号功分比G为2（6.02 dB），相位差ψ为60°。经优化，令θc，θd分别为46°和45°。代入公式（7），可计算得各段传输线的特征阻抗和电长度，列入表1中。根据以上参数进行建模并仿真。所得S参数曲线如图4所示。

图4　实例2的仿真结果

仿真结果可见，该仿真同样实现了输入端口的完美匹配和输出端口间的理想隔离。同时完成了输出信号功率不等分的功能，在工作频率处，S21=-0.97 dB，S31=-6.99 dB，功分比刚好为6.02 dB，输出信号间相位差为60°。可见该模型有效的实现了预期的目标。经测量本仿真实例的比例带宽约为37%。

3　总结

本文提出了一种可输出任意相位差的功率分配器结构。该结构由五段传输线和一个匹配电阻构成。通过理论推导，得出该结构的解析设计公式。为了验证该结构的有效性，对其进行了两组仿真。仿真结果证明了该模型具有同时实现任意相位差和功率不等分的能力。在该功率分配器的设计公式中有两个自由变量。通过调节这两个变量，可以优化功率分配器模型的带宽和尺寸，实现结构的小型化。

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贺庆（1982-），男，山东烟台人，北京信息科技大学讲师，博士。研究方向为微波无源器件，bomb_82@163.com；

祝连庆（1963-），男，博士，北京信息科技大学教授，博士生导师。研究方向为光纤传感与激光器、生物医学检测技术及仪器、精密测量与系统，42033768@qq.com。

Design of Miniaturization Power Divider with Arbitrary Output Phase Difference*

HE Qing1，LOU Xiaoping2，ZHU Lianqing1，2，3*
（1.Beijing Key Laboratory for Opto-Electronics Measurement Technology，Beijing Information Science and Technology University，Beijing 100101，China；2.Beijing Engineering Research Center of Optoelectronic Information and Instruments，Beijing Information Scienceand Technology University，Beijing 100101，China；3.Beijing Laboratory for Biomedical Detection Technology and Instrument，Beijing Information Science and Technology University，Beijing 100101，China）

A miniaturization power divider with arbitrary output phase difference is presented.The circuit structure consists of five microstrip lines and a matching resister.By tuning the design parameters of every transmission line，the proposed power divider can produce the required phase difference and power division outputs.Using the evenodd mode analysis method，the closed-form design equation of this structure is deduced.To demonstrate the validity of this structure，two simulations of this model are operated at 1 GHz.The research results prove that this design can realize two controllable power division and phase difference signal outputs.

microwave component；power divider；arbitrary phase difference；unequal power division；even-odd mode analysis

TN626

A

1005-9490（2016）03-0501-04

EEACC：135010.3969/j.issn.1005-9490.2016.03.001