一种多层小型化5G毫米波功率分配器设计

姬晓春 ，姬五胜 ，王林年 ，张志悦 ，童荥贇 ，涅佛达夫.E.I

（1.天津职业技术师范大学天线与微波技术研究所，天津 300222；2.天津职业技术师范大学电子工程学院，天津 300222；3.俄罗斯科学院电子学研究所弗凉基诺分部，弗凉基诺 141190）

随着无线通信技术的快速发展，通信设备对微波器件高性能、小型化和高度集成化的要求越来越高。功率分配器作为微波系统的关键器件，广泛应用于无线通信及卫星导航系统的天线馈电网络和射频通道中，如天线阵、功率放大器、相移器、调制解调器等，其多功能化及高度集成化已成为当前该领域的研究热点。我国5G通信技术发展迅猛，将于2020年实现5G通信商业运营。国家工信部现已公布的5G毫米波试验频段有24.5～27.5 GHz，37～42.5 GHz等，这就对新型的能够适用于毫米波系统的功率分配器设计提出了新的要求。目前研究较多的功率分配器结构有3种类型，分别为威尔金森（Wilkinson）、巴格利多边形（Bagley Polygon）和吉塞尔（Gysel）功率分配器[1-2]，其中，威尔金森功率分配器的应用最为广泛，它是一种在λ/4阻抗变换传输线和在分支线末端接隔离电阻的基础上提出的一种最简单的单频功率分配器，在输入端口和输出端口之间可以达到非常好的匹配状态，并且由于隔离电阻的作用，使得每个输出端口之间具有良好的隔离度。但由于威尔金森功率分配器平面微带结构本身的特点，使得电路尺寸比较大，尤其在一分多路功率分配器的设计中该问题尤为突出[3-9]。同时，由于微带线对高频信号有色散效应，使得威尔金森功率分配器在5G毫米波频段已经很难体现出较好的功率分配性能。

文献[10-11]介绍了不对称槽线的概念、基本传输线特性及在介质层内部的电磁场分布情况，并且利用不对称槽线的电路特性设计出了复合环、支线定向耦合器、平衡功率分配器、多层滤波器、多信道功率分配器等微波器件，这种新颖的传输线为多层电路中微波传输线的集成方式提供了新的思路。文献[12]改进了文献[11]中提出的不对称槽线与微带线在介质层间的过渡结构，设计了一种新的能够适用于多层微波电路集成中层间耦合过渡互连结构。本文基于不对称槽线的工作机理和传输线特性，在文献[10-12]的基础上设计了一款基于层间耦合结构的多层小型化功率分配器。该功率分配器在电路耦合区采用不对称槽线的λ/4开路线和构建弯T型过渡结构等方式，使得电路能够在介质层之间的垂直方向上立体分布，这种电路结构不仅易于微波器件在多层电路中的集成，而且避开了威尔金森功率分配器由于微带平面结构所带来电路尺寸过大的问题。

1 电路设计

1.1 电路结构设计

微带线与不对称槽线通过并联后可以构成一种T型接头[11]，微带线-不对称槽线的过渡结构如图1所示。

图1 微带线-不对称槽线的过渡结构

该结构可实现微带线与不对称槽线之间的平滑过渡。T型接头两侧长度为L1的不对称槽线为中心频率下的λ/4开路线，其作用除了能够抑制横向不对称槽线效应外，还可以影响功率分配电路的中心频率。图2为在图1的电路基础上改进而成的微带线-微带线的三层过渡结构。

图2 微带线-微带线的过渡结构

同样，对于T型结构两侧的不对称槽线采取λ/4开路线的设计，此时电磁波沿电路中间层带状线输入，分别与上、下层微带线通过层间耦合结构平滑过渡，形成了具有功率分配特性的多层微波电路。但由于在耦合区的横向方向上存在着不对称槽线效应，产生的横向H波[12]影响了带状线与微带线平滑过渡的效率。为了消除这一不利的电路效应，在图2所示电路结构的基础上，把电路中由微带线与不对称槽线形成的T型结构改进成一种弯曲T型层间耦合过渡结构，其目的是为了破坏横向不对称槽线的场分布，消除其不利的电路效应，提高带状线与微带线之间的平滑过渡性能。同时，对2个输出端口的微带线朝不同的方向做了折弯处理，以便于电路仿真与测试。改进后的新型层间耦合功率分配器电路如图3所示。

图3 层间耦合结构功率分配器电路

1.2 等效电路及功率分配比特性分析

层间耦合结构功率分配器是一个三端口网络，若用一理想变压器代替弯曲T型耦合结构，得到的层间耦合结构功率分配器等效电路[13-15]如图4所示。

图4 层间耦合结构功率分配器等效电路

中间层与上、下层等效理想变压器转换比分别为n1/n2和n1/n3。输入端阻抗为Z1，上、下层输出端阻抗分别为Z2和Z3，若令n1=1，可得到输出端与输入端之间的阻抗比[14-15]为：

当2个输出端口的阻抗 Z2=Z3，根据式（1）和（2），可知 n2=n3，而此时 S21=S31，说明该功率分配器可以得到相等的功率分配比；若 Z2≠Z3，即 n2≠n3，使得S21≠S31，此时该功率分配器可以得到不等的功率分配比。

1.3 功率分配器电路参数设计

1.3.1 等功分比功率分配器的参数设计

电路设计采用电介质为Rogers4003C，其介电常数εr=3.55、损耗角正切为δ=0.002 9。等分比功率分配器电路中，2层介质的厚度均为H1=H2=0.508 mm，为了保证输入端和输出端阻抗均为标准的50 Ω，取带状线宽度w1=0.65 mm，上、下层微带线宽度为w2=w3=1.18 mm；中间层弯曲T型过渡结构的直径R1=4.24 mm，上、下层弯T型过渡结构的直径分别为R2=R3=（W-w2）/2=（W-w3）/2=3.975 mm；宽度 W=2*R1+w1=9.13 mm，长度L=22.02 mm。

1.3.2 不等功分比功率分配器的参数设计

不等功分比的功率分配器电路中，只需在以上等功分比电路的基础上，令H1=0.406 mm，保持w3不变，经计算[16]得下层弯曲T型耦合区微带线阻抗Z3=43 Ω。由于此时下层输出端口阻抗Z3已不是标准50 Ω，所以输出端口需要用一段中心频率下的λg/4匹配线[16]以达到与50 Ω匹配的目的。其匹配好的下层微带几何结构如图5所示。其中w4=0.94 mm，L1=2.52 mm。由于H1的变化引起了带状线阻抗的改变，所以为了保证输入端阻抗为50 Ω，取w1=0.55 mm。

图5 不等功分比功率分配器下层微带几何结构

2 仿真结果及电路特性分析

2.1 等分比功率分配器仿真结果

利用三维电磁仿真软件HFSS-15对上述层间耦合功率分配器进行建模仿真，仿真所得到的S参数如图6所示。

图6 功率分配器S参数

从图6中可以看到，该功率分配器在20～28 GHz的频段内，输入端口与2个输出端口之间的插入损耗S21和S31均大于-5 dB；在23.2～25.8 GHz内，输入端回波损耗S11均小于-20 dB，并且在24.5 GHz左右能够达到-30 dB以下，说明该功率分配器在其频段内的电路匹配良好；在21.2～27.3 GHz内，2个输出端口之间的隔离度S23均小于-15 dB，其中，在22～24.6 GHz内，S23能够保持在-20 dB以下，说明2个输出端口之间具有非常良好的隔离度。以上数据表明：层间耦合结构功率分配器在24.5～25.8 GHz的5G毫米波频段内，输入端与2个输出端的插入损耗S21和S31均能够保持在-5 dB以内，输入端回波损耗S11小于-20 dB，2个输出端口之间的隔离度S23均处于-17 dB以下，功率分配性能优良。

在层间耦合型功率分配器电路的设计中，中间层弯曲T型过渡结构的直径R1对电路的特性影响较大（R2和R3会随着R1变化而相应变化），弯曲T型结构直径R1对功率分配器性能的影响如图7所示。

图7 弯曲T型结构直径R1对功率分配器性能的影响

为了研究R1对电路性能的影响，在图7中，对R1以1 mm的间距均匀地从3 mm依次取值到8 mm得到6组值后观察其S参数的变化规律。从图7（a）中可以看出，当R1从3 mm增加到8 mm时，输入端回波损耗S11最小值的频率点均匀地从25.8 GHz左移到19.1 GHz，并且每个R1的值都与其中心频率的λ/4长度基本对应。根据这种电路特性，在设计中可以通过调整R1的长度来调节功率分配器的应用频段；从图7（b）中可以看出，在15～22 GHz和26～28 GHz的频段内，隔离度S23随着R1的改变并没有明显的变化，而在22～26GHz的频段内，随着R1从8 mm减小到3 mm，S23相应地从 -15 dB下降到 -21 dB，输出端口之间的隔离性能良好，并且在15-28 GHz的频段内S23能够一直保持在-10 dB以下，这种变化规律给层间耦合结构功率分配器隔离度的选择提供了很好的数据支持。基于电路在结构有上下2层对称的特点，使得2个输出端的插入损耗S21=S31，所以在图7（c）中仅呈现了R1对插入损耗S21的影响，以此来考察R1对2个输出端插入损耗的影响。可以看出，在15～28 GHz的频段内，当R1从3 mm逐渐变化到8 mm时，插入损耗S21能够一直保持在-5 dB以内，表明R1对输入端到2个输出端的插入损耗的影响不大，功率分配器的插入损耗对于R1的变化有较好的容错能力。

从数据分析可知，在设计层间耦合结构功率分配器时，通过调整电路中间层弯T型结构的直径R1，可以选择不同的应用频段和2个输出端口之间的隔离度。同时，输入端口与输出端口之间的插入损耗对R1的变化有较好的容错能力，可以在很宽的频段内均能够保持在-5 dB以内。

2.2 不等分比功率分配器的仿真结果

层间耦合滤波器不等功分比的特性仿真S参数如图8所示。

图8 不等功分比的S参数

从图8中可以看出，W1的减小使得R1增大，中心频率向左平移至23.5 GHz。输入端回波损耗S11和2个输出端口之间的隔离度S23较图3的性能有所下降，但在中心频率处S11依然能够达到-18 dB，S23也能够保持在-10 dB以下。同时，当H1减小时，导致等效电路模型中Z3的变化，使得2个输出与1个输入端口的阻抗比也发生变化，此时n2≠n3。在中心频率23.5 GHz处，S21=-4.1 dB，S31=-3.4 dB，2 个输出端口插入损耗之间存在0.7 dB的差距。同时，在20～28 GHz的频带内，S21和S31能够一直保持0.5～1 dB的差值，显现出电路较好的不等功分性能。由此可见，通过调整电路的相关参数，可以实现不等功率分配比的功率分配器电路，提高了层间耦合功率分配器的设计灵活性。

以上仿真工作验证了层间耦合结构功率分配器在24.5～25.5 GHz的5G毫米波频段优良的电路性能，其输入端回波损耗S11和输出端之间的插入损耗S21/S31以及2个输出端之间的隔离度S32均比较理想，符合5G毫米波功分器的性能要求。同时，不等功分比的电路设计体现了层间耦合结构功率分配器在设计灵活性上的技术优势。

3 结语

本文基于不对称槽线理论和层间耦合互连结构，设计了层间耦合结构功率分配器。仿真结果表明该功率分配器不仅在24.5～25.8 GHz的5G毫米波频段内具有优良的功分性能，且在结构上规避了由传统微带平面结构功率分配器所带来的电路尺寸过大、不适合工作在毫米波波段等技术缺陷问题。本文在设计中对耦合区弯曲T型结构采取不对称槽线的λ/4开路线设计，很好地抑制了不对称槽线所带来的层间H型横向波效应。依据等效电路的分析和计算，成功设计了一款不等功分比的毫米波功率分配器，提高了层间耦合结构功率分配器的设计灵活性。本设计采用多层结构，实现了器件小型化，能应用于5G毫米波通信领域，值得推广应用。