小型化C频段薄膜威尔金森功分器研究

郭文刚

(1.装备工程技术研究实验室，河北 石家庄 050081;2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

小型化C频段薄膜威尔金森功分器研究

郭文刚1，2

(1.装备工程技术研究实验室，河北 石家庄 050081;2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

出于小型化的需求，对传统Wilkinson形式的功分器进行了分析和改进，提出了一种采用陶瓷薄膜工艺的工作于C频段的新型双哑铃型小型化二等分功分器，该功分器覆盖了3.5～7 GHz频段,电路板面积尺寸只有6 mm×6 mm，较以往的设计减小20%以上。与此同时，该功分器还在整个工作频段内展示出优良的射频性能，整个通带内回波损耗>20 dB，插入损耗<3.1 dB，隔离度>20 dB。

Wilkinson功分器；C频段；HFSS；薄膜

0 引言

近年来，电子、通信产业蓬勃发展，伴随着基础工艺的不断改进，通信电路的整体设计水平也在不断提升。与此同时，设计需求也在不断提高，尤其是小型化需求[1]，已成为当前乃至未来电路设计的重要发展方向[2]。解决小型化问题的手段是多方面[3-4]的：① 在系统层面优化电路的整体结构和布局[5]；② 充分利用集成电路芯片，提高系统集成度[6]；③ 通过技术手段，压缩单元器件尺寸[7]。基于薄膜电路工艺制作的微波电路[8-9]具有体积小[10]、重量轻[11]、损耗低[12-13]等优点，且易与其他微波电路集成，是微波单元器件小型化的一种重要实现手段。

功分器是一种常见微波器件，其性能对整个系统指标具有不可忽视的影响。从功能上说，功分器可分为输出端没有隔离的简单功分器[14]和有隔离的混合型功分器[15-16]。本文在薄膜工艺基础上对传统威尔金森(Wilkinson)功分器的电路图形进行了改进，并在此基础上设计了一款C频段哑铃型功分器，该功分器在显著降低尺寸的同时，具有优良的射频性能，验证了以上小型化手段的有效性。

1 工作原理

Wilkinson功分器是一种常用的有隔离功分器，其基本结构如图1所示。

由图1可看出，二等分Wilkinson功分器由2条对称臂构成，而每条对称臂又包含多节1/4波长传输线，在每对1/4波长传输线之间还有一个隔离电阻。1/4波长传输线的节数是由设计带宽决定的，为此对于宽带的设计需求，往往需要较多的节数实现，这也会造成较大的电路尺寸。

对于给定频率、材料和传输线形式，1/4波长传输线的长度是固定的。为实现小型化，可考虑使用集总电容、电感构成的等效人工传输线，但是当频率较高时，如在C波段，这一方式会造成较大的损耗并产生明显的寄生参数。为此，本文考虑在另一个设计维度做文章，即对传统Wilkinson的版图形状进行优化，在薄膜电路工艺的基础之上，实现了一款工作于3.5～7 GHz的小型化C频段Wilkinson功分器。

图1 Wilkinson功分器结构示意图

2 电路设计

2.1 阻抗匹配段设计

设计目标是二等分功分器，该功分器对应的阻抗变换比为2，同时高端频率f2与低端频率f1的比值也为2。由文献[1]可知，最小的实现阶数是2阶，对应的2段1/4波长传输线的归一化特性阻抗z1、z2分别为1.219 7和1.639 8，通过ADS2008电路仿真软件，可得到其阻抗匹配的宽带特性，如图2所示。其中，图2(a)为仿真的电路原理图，图2(b)为传输通带内的S参数曲线，实线为插入损耗曲线，虚线为回波损耗曲线。

(a) 电路图

(b) 回波损耗

在上述仿真中，2个端口的阻抗分别设置为50 Ω和100 Ω，以表征图1中单臂的信号传输状况。可以看出，在整个通带内，回波损耗的仿真值优于25 dB。

2.2 隔离电阻设计

图1中隔离电阻的取值决定了分路器2个输出端口的隔离特性，其阻值可由式(1)～式(3)进行计算。其中，式(1)为中间表达式：

(1)

(2)

(3)

由式(1)～(3)及z1、z2的取值可求得归一化隔离电阻r1、r2的值分别为4.820 4和1.960 2。在实际使用中，还须将r1、r2的计算值对系统阻抗进行反归一化(对微波电路来说，通常是50 Ω)，以得到实际使用的隔离电阻阻值。

2.3 分路器电路设计

以此参数构建的分路器电路模型如图3所示，图中，3个端口的阻抗均设置为50 Ω。仿真结果如图4所示。图4中，实线为输入端口(1端口)的回波损耗曲线；虚线为输入端口-输出端口间的插入损耗曲线(由于2个输出端口完全对称，故只取一条插损曲线即端口1-端口2间的插损曲线，此时端口3接匹配负载)；点线为输出端口的回波损耗曲线(2端口)；点划线为2个出端口(2端口和3端口)间的隔离度曲线。

由图3和图4可以看出，在整个设计通带内，原型电路的设计完全满足输入损耗、回波损耗以及输出端口隔离度等设计指标。

图3 分格器电路图

图4 S参数仿真曲线

3 版图设计及仿真验证

为实现较小的尺寸，选用99.6%填充的Al2O3陶瓷薄膜材料，其相对介电常数为9.8，介质损耗角正切为0.000 2；表面金属为金，使用溅射工艺成型，厚度约3 μm。为了缩减电路的尺寸，选择图5(a)所示的双哑铃型结构进行电路排布，将整体尺寸压缩至6×6 mm2。对图5(a)中的尺寸进行了优化，并在HFSS三维全波仿真软件中进行了仿真，所得到的S参数计算结果如图5(b)所示。其中：实线为输入端口的回波损耗，虚线为输入端口-输出端口间的插入损耗；点线为输出端口的回波损耗；点划线为输出端口-输出端口间的隔离度。

(a) 版图结构

(b) S参数仿真曲线

在以上模型中，隔离电阻采用方阻为50 Ω/□的TaN(氮化钽)薄膜实现。由图5可看出，所设计的二等分功分器仿真结果在整个设计频段内的输入回波损耗、输出回波损耗均大于20 dB，插入损耗小于3.1 dB，输出端口间隔离度大于20 dB，具有较好的射频性能。

4 结束语

小型化可以说是微波电路设计的永恒追求，以往对小型化的关注更多集中在新的工艺平台和新材料上，本文从版图形状的优化出发，实现了一款工作在C频段的小型化二等分Wilkinson功分器，除了在整个通带内实现了优良的射频性能外，也明显地压缩了电路尺寸。与以往的实现形式的电路板尺寸比较，所提出的哑铃型功分器至少缩减了20%，这一设计形式可以很方便地移植于其他工作频段。此外，这一设计思路也可为其他微波单元设计借鉴。

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Research of Miniaturized C Band Thin Film Wilkinson Power Divider

GUO Wen-gang1,2

(1.Equipment Engineening Technology Research Laboratory,Shijiazhuang Hebei 050081,China;2.The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China)

Wilkinson divider is analyzed and improved in this paper. And a novel double-dumbbell shaped miniaturized C band 2-way equal power divider is proposed. The proposed power divider works in 3.5～7 GHz,and has a circuit board dimension of 6 mm×6 mm,which is decreased by 20% compared with traditional designs. At the same time,the proposed power divider presents excellent RF performance in the whole working band:the return loss of the divider is greater than 20 dB,while the insertion loss is less than 3.1 dB,and the isolation between two output ports is greater than 20 dB.

Wilkinson power divider;C band;HFSS;thin film

10. 3969/j.issn. 1003-3114. 2017.04.20

郭文刚.小型化C频段薄膜威尔金森功分器研究[J].无线电通信技术,2017,43(4):83-85.

[GUO Wengang.Research of Miniaturized C Band Thin Film Wilkinson Power Divider [J]. Radio Communications Technology,2017,43(4):83-85. ]

2017-03-09

国家部委基金资助项目

郭文刚(1981—)，男，工程师，主要研究方向：微波电路与系统。

TN713.5

A

1003-3114(2017)04-83-3