基于多节级联的宽带阶梯阻抗型双频功分器

蒋帅+刘云+缪细洋

【摘要】 本文提出了一种新型的超宽带阶梯阻抗双频功分器的拓展带宽的综合方法。通过增加阶梯阻抗双频功分器的级联级数来拓展带宽，即利用一对传输线及一个隔离电阻组成一个单元，将多个这样的单元级联来构成多节的宽带双频功分器。本文设计了二阶和三阶宽带阶梯阻抗双频功分器来进行验证 ，通过验证得到，采用多阶级联型的阶梯阻抗双频功分器，其工作带宽可以通过选取不同的设置参数来实现两个频率点处的工作带宽同步增加。

【关键词】 超宽带 阶梯阻抗 多节级联

无线通信新标准和各种无线应用技术在不断的发展，为了降低成本，减小设备体积，多频器件的研究已然成为一种需要，而功分器广泛应用于各种微波电路，其多频化显得尤为重要。近年来，双频功分器收到广泛的应用与研究，多种不同结构的双频功分器已经被研发出来。

最早由人提出了双频阻抗变换器，并基于此设计了一款双频等分功分器，但工作频率比小，结构尺寸大。2014年[1]提出利用两节传输线替代四分之一波长线，并在隔离电阻的地方加载了一节传输线，来实现双频功分器，但是其可达到的频率比在2-5之间。

最初文献[2]提出了一个双频Wilkinson功分器，该双频功分器是由三段式阶梯阻抗构成，通过改进传统的四分之一波长线，使其能够工作于两个独立频率点，但是该功分器两个工作频率点处的工作宽带相对较窄，基于这个缺陷，本文提出了一种新型的超宽带阶梯阻抗双频功分器的拓展带宽的综合方法。本文将通过增加双频阶梯阻抗功分器的级数来拓展带宽，级数越多，带宽越宽。多阶级联型的阶梯阻抗功分器实现了带宽可控性，同时，利用阶梯型双频阻抗变换器来替换传统的λ/4波长线，可以实现两个频率点处的工作带宽同步增加。

一、宽带阶梯阻抗双频功分器的结构与设计思路

如图1所示的是二宽频阶梯阻抗型功分器的结构，利用一对传输线及一个隔离电阻组成一个单元，将多个这样的单元级联来构成多节的宽带阶梯阻抗型功分器。

为了求得传输线特性阻抗和隔离电阻的参数值，以二阶宽频功分器为例来进行分析，其它阶数情况下的求解过程类似。根据图1结构的对称特性，通过奇偶模式分析法可以在很大程度上简化求解过程，其奇偶模等效电路如图2所示。

二、宽带阶梯阻抗双频功分器实验验证

在上述分析的基础之上，基于[2]中设计1/5.2GHz的双频功分器，本文设计出了如图1所示的基于二阶和三阶级联结构。本文实现第一工作频带上下边缘频率比分别为1.5的二阶阶梯阻抗型双频功分器和频率比为3的三阶阶梯阻抗型功分器的结构参数，结合公式（1-5）和文献[6]计算参数。二阶阶梯阻抗型双频功分器的电参数：

通过电参数，本文利用ADS仿真得到如图4所示。

结构仿真的性能曲线如图4所示，通过与文献[2]中的回波损耗曲线S11、S22，插入损耗曲线S21和隔离曲线S32相比较，可知随着阶数N和边缘频率比f2 / f1的增大，两个工作频率点1GHz、5.2GHz附近的3dB带宽在增加，20dB的回波损耗带宽和隔离度带宽均有增加。由此可见，采用多阶级联型的阶梯阻抗功分器，其工作带宽可以通过选取不同的设置参数来得到不同程度的增加，利用阶梯型双频阻抗变换器来替换传统的λ/4波长线，可以实现两个频率点处的工作带宽同步增加。

参 考 文 献

[1] Guoan Wu， Lingling Yang， Yinlei Zhou， Qinfen Xu. Wilkinson power divider design for dual-band applications. Electronics Letters， vol.50， no.14， pp.1003-1005， July 3. 2014.

[2] Miao X， Liu Y， Wan C. A Novel Dual-Band Power Divider Using Symmetric Stepped-Impedance Inverters[J]. Ieice Electron Express， 2015， 12（22）.

[3] Cohn Seymour B. Optimum Design of Stepped Transmission-Line Transformers. Microwave Theory and Techniques， IRE Transactions on， vol.3， no.3， pp.16-20， April 1955.

[4] Cohn S.B. A Class of Broadband Three-Port TEM-Mode Hybrids. Microwave Theory and Techniques， IEEE Transactions on， vol.16， no.2， pp.110-116， February 1968.