2.4 GHz Wilkinson功率分配器设计

2019-09-23张微

太原学院学报(自然科学版) 2019年3期

张微

(山西工商学院计算机信息工程学院,山西太原 030006)

功分器是射频微波系统中的基本电路,主要功能是将输入信号功率分为相等或不等的几路功率输出,应用于相控阵雷达、多路中继通信机等射频系统中。随着近年来科技的发展,平面微带功分器由于具有重量轻、体积小、性能优的特点被广泛使用。文章将从Wilkinson功分器的基本原理、Wilkinson功分器的仿真模型以及Wilkinson功分器的优化设计等几方面进行论述。

1 Wilkinson功分器的结构

1.1 Wilkinson功分器的基本原理

Wilkinson功分器的输出端具有良好的等相位和宽频带的特性，如图1所示。Wilkinson功分器的输入端口和输出端口特征阻抗都是Z0,输入端口和输出端口之间的分支线特征阻抗为Z,长度为λ/4。

基本要求是当端口2和3接匹配负载时,在输入端口无反射;相反,当端口1接匹配负载时,在端口2和3也无反射。

1.2 奇偶模分析法

奇偶分析法[1]是在输出端口分别用对称和反对称源进行驱动,通过分析两个电路的传输特性,并加以综合进而得到原电路的传输特性。用特征阻抗Z0归一化所有的阻抗,并在输出端口接电压源，如图2所示。

图1 Wilkinson功分器Fig.1 Wilkinson power divider

图2 对称形式下的Wilkinson功率分配电路Fig.2 Wilkinson power distribution circuit in symmetricform

图2输入端口,两个归一化源电阻值是2,并联后归一化电阻值为1,传输线有归一化特征阻抗Z(对于二等分功分器Z=2),并联电阻有归一化值r(对于二等分功分器r=2)。

图2所示电路激励的两个分离模式:

图3 偶模激励Fig.3 Even mode excitation

偶模:Vg2=Vg3=2V0

(1)

奇模:Vg2=-Vg3=2V0

(2)

V(x)=V+(e-jβx+Γejβx)

(3)

可得

(4)

(5)

处在端口1,向归一化值为2的电阻看,可得反射系数:

图4 奇模激励Fig.4 Odd mode excitation

(6)

那么可得

(7)

1.3 Wilkinson功分器的性能指标

Wilkinson功分器要求工作2.4 GHz,回波损耗S11、S22、S33小于-15 dB,插入损耗S21、S31大于-4 dB,隔离度S23小于-20 dB。

2 Wilkinson功分器的参数设置

在原理图中,首先设置微带线的参数如下:

H=0.8 mm,表示微带线基板厚度为0.8 mm;Er=4.3,表示微带线的相对介电常数为4.3;Mur=1,表示微带线相对磁导率为1;Cond=5.88×107,表示微带线电导率为5.88×107;Hu=1.0×1033mm,表示微带线封装高度为1.0×1033mm;T=0.03 mm,表示微带线金属层厚度为0.03 mm;TanD=1×10-4,表示微带线损耗角正切为1×10-4;Rough=0 mm,表示微带线表面粗糙度为0 mm。

图5 计算微带线宽度WFig.5 Calculate width of microstripline

其次,在仿真原理图中选择[Tools]→[LineCalc]→[Start LineCalc]的命令,弹出“LineCalc”对话框如图5,然后设置功分器的工作频率2.4 GHz,相位延迟为90 °,当输入特征阻抗Z0为50 Ω,计算出微带线的宽度w1为1.52 mm。当设置输入特征阻抗Z0为70.7 Ω,计算出微带线的宽度w2为0.79 mm。