一种多层一分四不等分宽带功率分配器设计

童荥贇，姬五胜，张志悦，戴 薇

（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）

功率分配器（简称功分器）是一种重要的无源电路，常用于混频器、功率放大电路、大规模MIMO 阵列天线以及相控阵雷达天线等各种微波射频器件的设计，在系统中起到将信号功率再分配或重新组合的功能[1-2]。近年来，随着电子技术的快速发展，为适应无线通信系统多元化的发展需求，多层化、小型化以及宽带化已成为现代功分器发展的必然趋势，但传统的微波电路设计方法已经难以满足这些发展需求。2002年，美国联邦通信委员会（FCC）首次规划批准使用频段3.1～10.6 GHz，超宽带微波器件的设计成为了行业内的研究热点[3]。不对称槽线对于多层微波电路的设计与集成具有很好的优势[4-5]。文献[5]分析了不对称槽线的电磁场分布规律和相关电路特性，设计了基于不对称槽线的复合环、不对称槽线-微带过渡结构、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。在此基础上，文献[6]设计了一款弯曲T 型微带互连结构，多层之间互连的应用频率能够达到80 GHz。文献[7]利用文献[6]提出的弯曲T 型毫米波互连结构，设计了一款多层一分二毫米波功率分配器，工作于24.5～27.5 GHz 频段，具有良好的毫米波电路特性，由于采用了多层设计方案，该功率分配器电路的整体尺寸得以减小。

本文基于文献[4-7]的设计理论和分析方法，设计了一款具有弯曲T 型结构的多层一分四不等分功率分配器。通过将2 个弯曲T 型基本耦合结构背向级联，构建了过渡效果更好的层间耦合结构，同时增加电路耦合层数，使得信号在介质层间多次耦合功分，实现一分四不等分的功率分配效果，具有良好的电路性能；与文献[7]提出的毫米波功率分配器不同，本文设计的电路可工作于2.8～7.5 GHz 频段，绝对带宽为4.7 GHz，分数带宽达到了91.3%；由于工作频段包含了 3.3～3.6 GHz 和 4.8～5.0 GHz，该功分器在 5G 通信低频段有良好的应用前景，说明不对称槽线设计理论同样适用于低频段微波器件的设计，对多层、小型化、高性能、宽带微波电路设计提供了思路。

1 电路设计

1.1 电路结构设计

文献[6]设计了一款弯曲T 型毫米波微带互连结构，弯曲T 型结构两侧的2 个凹形槽长度对应于中心频率处电路1/4 波导波长，凹形槽的作用是为了消除不对称槽线带来的横向H 波的影响，提高信号在不同层之间平滑过渡的效率。这一特性也在弯曲T 型毫米波功分器[7]的设计中得到应用。本文将2 个弯曲T 型基本耦合结构背向级联，且电路的耦合区域增加为4个，由此设计了一种改进的带状线-微带线三层过渡结构，如图1所示。

图1 改进的带状线-微带线三层过渡结构

图1中：w1为中间层输入带状线宽度；w2为耦合过渡后上层和下层的微带宽度；w3为中间层2 个弯曲T 型结构背向连接的微带宽度；w4为上下层输出端微带线宽度。此外，整体电路长度为L，2 个介质基板的厚度分别为H1和H2，整体宽度W 满足W=4R1+w1，其中，R1为与输入端带状线相连的T 型结构的槽孔半径；同样地，R2、R3、R4、R5和 R6均为对应 T 型结构的槽孔半径，同与其相连的带状线或微带线之间满足与R1和w1一样的参数关系。

从图1可知，信号沿中间层带状线输入，经过弯曲T 型结构后通过层间耦合方式平滑过渡到上下层微带线，同时还具有功率分配特性。在弯曲T 型结构中，减去的半圆槽孔的直径对应于电路中心频率下的1/4 波导波长，改变该值大小可以调整电路的工作频段[7]。此外，由于信号的传输和耦合过渡发生在介质层内部，较之传统的平面电路过渡耦合结构更加容易获得紧耦合特性，易于实现宽带乃至超宽带特性[8-11]。

为增加功率分配器输出端口的数量，可以将改进的带状线-微带线三层过渡结构扩展到更多层，本文设计的一种多层一分四不等分宽带特性功率分配器结构如图2所示。

图2 多层一分四不等分宽带功率分配器

该功率分配器电路为一种包含6层介质和7层金属边界的多层结构，包含一个输入端口Port1，4个输出端口Port2、Port3、Port4和Port5。7层金属边界分别为中间带状线输入层1、中间带状线输出层2和5、中间带状线过渡层3和6以及顶层和底层微带线输出层4和7，电路关于带状线输入层1上下对称，层2、3、4分别与层5、6、7相对应。电路以带状线作为功率分配器的输入端（Port1），而输出端则采用了2种传输线，分别是中间层带状线（Port2和Port3）与顶层和底层的微带线（Port4和Port5）。中间层带状线（层1、2、3、5和6）在过渡耦合区域采用将2个弯曲T型基本耦合结构背向级联实现电磁能量在层间平滑过渡；顶层4和底层7的耦合区域为基本的弯曲T型耦合结构，其末端直接与微带线带条相连，作为功分器电路的其中2个输出端。在层间耦合过渡的同时，中间层同层的2个耦合区域通过带状线相连，可以实现电磁信号在同层直接传输。

1.2 等效电路与功率分配特性分析

将该多层一分四不等分宽带功率分配器电路看做一个五端口网络，相邻层之间通过弯曲T型的耦合过渡结构可以等效为一个变压器，其等效电路模型如图3所示[12-15]。

图3 功率分配器等效电路模型

图3中，n1、n2、…、n10分别为等效后对应的变压器匝数；i1、i2、…、i10分别为各子电路的的传输电流；Z1为输入端带状线阻抗；Z2、Z3、Z4、Z5和Z6分别对应电路内部背向级联弯曲T型结构的传输线阻抗；Z7、Z8、Z9和Z10分别为输出端阻抗。信号沿输入端通过不同的耦合路径平滑过渡到各输出端，每个输出端与输入端电流关系可由其对应耦合路径上变压器匝数来表示，其表达式为：

在电路结构中，输出端口2和3，4和5分别对称，若n1=1，n2=n3=…=n10=n，输入输出端电流关系式（1）～（4）还可进一步简化为：

输入输出端应满足阻抗匹配条件，因此各端口阻抗Z1=Z7=Z8=Z9=Z10，且均为标准的50Ω，根据电流和功率的关系式P=i2Z，可知P7=P10，P8=P9，且P7＜P9，即Port4和Port5的输出功率相同，Port2和Port3的输出功率相同，且Port4和Port5的输出功率小于Port2和Port3的输出功率；电路实现了一分四不等分功率分配。

1.3 功率分配器电路参数设计

多层一分四不等分宽带功率分配器结构如图4所示。

图4 多层一分四不等分宽带功率分配器结构

从图4可知，图4（a）为该功分器电路的侧视图，整个电路可以分成4个耦合区域，对应长度分别为l1、l2、l3和l4，则电路整体长度为l=l1+l2+l3+l4；细实线是带状线或微带线，粗实线为有限宽度导体带状线或微带线，虚线处没有金属导体覆盖。电路采用介电常数εr=3.55的Rogers4003C介质基板，其损耗正切角为δ=0.0029，6层介质基板的厚度均为h，为保证输入端和输出端阻抗均为标准的50Ω，取输入端带状线宽度为w1，中间层输出端带状线宽度为w4，顶层（或底层）输出端微带线宽度为w5；中间输入层长度为l1的耦合区域内左侧槽孔半径为r1，则电路整体宽度为w=2×r1+w1，因此r3=r5=（w-w3）/4，且电路中其他槽孔半径和与之相连的带状线（或微带线）的宽度也有同样的参数关系；电路参数的具体数值为：r1=r6=3mm，w1=w4=0.6mm，l1=l2=l3=l4=8mm，l=32mm，w=12.6mm，h=0.508mm，r2=r3=r4=r5=3.075mm，r7=2.855mm，w2=w3=0.3mm，w5=1.18mm。

2 仿真结果与电路特性分析

2.1 功率分配器电路仿真结果

利用三维电磁仿真软件HFSS对本文设计的多层一分四不等分宽带功率分配器电路进行了建模仿真[16]，输入端回波损耗和各输出端到输入端的插入损耗的仿真结果如图5所示，各输出端口间的隔离度仿真结果如图6所示。

图5 回波损耗和各输出端到输入端的插入损耗仿真结果

图6 各输出端口间的隔离度仿真结果

从图5可知，该功率分配器的工作频段为2.8～7.5 GHz，分数带宽达到了91.3%，输入端Port1 的回波损耗S11优于-10 dB，并在3.65 GHz 左右达到-19.9 dB 以下，在 6.0 GHZ 左右优于-16.5 dB；输出端Port2 和 Port3 到输入端 Port1 的插入损耗 S21和 S31基本一致，均优于-6.4 dB，输出端 Port4 和 Port5 到输入端Port1 的插入损耗S41和S51也基本相同，均优于-11.3 dB。

从图6可知，在工作频段内，各输出端口Port2、Port3、Port4 和 Port5 之间，隔离度 S23优于-11 dB、S24优于-9 dB、S25优于-15 dB，S45优于-22 dB。其中，在4.15～7.5 GHz 频段内，全部隔离度参数均优于-11 dB，S45甚至在 3.78 GHz 处可达到最优，隔离度S45为-41.3 dB，由此可以说明各输出端口间具有良好的隔离性能。

2.2 功率分配器电路不等分原理分析

从图5可知，2 组输出端到输入端的插入损耗不相同，该功率分配器电路实现了一分四不等分的功率分配特性，这是因为顶层和底层微带线输出层4 和7是通过带状线过渡层3 和6 与中间带状线输出层2和5 经过二次层间耦合功分所致，若保持各个电路输入输出端口的阻抗为标准的50 Ω，且每一层介质基板厚度一致，电路关于带状线输入层1 上下对称，故S21=S31，S41=S51，且 S41和 S51劣于 S21和 S31，这与通过式（1）～（6）所得到的结论完全一致。本研究设计的功分器与文献[7]的性能比较如表1所示。

表1 本文设计的功分器与文献[7]的性能比较

由表1知，本文功率分配器的输出端口数量为4个，而文献[7]仅为一分二功率分配器；本文功率分配器的回波损耗和插入损耗同文献[7]相比稍差，但隔离度方面优于文献[7]；在电路尺寸方面，本文功率分配器包含6 层电介质和7 层金属边界，而文献[7]仅包含2 层电介质，二者相比较，本文功率分配器尺寸稍大；在电路的工作频带方面，本文工作于2.8～7.5 GHz，包含5 G 低频段部分，分数带宽达到了91.3%，而文献[7]工作于24.5～25.5 GHz，属于5 G 高频段毫米波领域，分数带宽为4%。本文所设计的基于弯曲T 型多层功率分配器不仅实现了信号在微波集成电路不同层间的信号传输，还实现了一分四不等分功率分配功能，这表明基于不对称槽线理论弯曲T 型功分器具有灵活的设计自由度。

3 结 语

本文设计了一种多层一分四不等分宽带功率分配器，包含6 层介质和7 层金属边界。仿真结果表明：该功分器的工作频段为2.8～7.5 GHz，分数带宽达到了91.3%，且具有良好的功分性能，解决了传统Wilkinson功分器因引入集总的隔离电阻导致电路尺寸过大、需要考虑分布参数影响等技术缺陷问题。本文在设计中将2 个弯曲T 型基本耦合结构背向级联构建过渡效果更好，结构更加简单且具有紧耦合特性的层间耦合结构，具有良好的设计灵活性。