基于T型结构的可重构功分器研究

蒋红梅 闭斌双

【摘 要】针对结构复杂、体积较大和功能单一的传统功分器的不足，本文研究了一种基于T型结构的可重构功分器。该功分器采用T型可调结构代替传统3dB Wilkinson的λ/4分支传输线，利用变容二极管改变传输线特征阻抗和相移的方法来实现功分器的中心频率可调，中心频率可在1.8～2.8GHz范围内连续变化，该可重构功分器具有工作频率连续、大范围可调功能，以及尺寸小，电路简单的优点。

【关键词】可重构;功分器;变容二极管

中图分类号： TN626 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）23-0019-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.23.007

【Abstract】Aiming at the shortcomings of traditional power divider with complex structure， large volume and single function， a reconfigurable power divider based on T frame is studied. The power divider adopts a T adjustable structure to replace the traditional 3 dB Wilkinson 4-branch transmission line， and uses varactor diodes to change the characteristic impedance and phase shift of the transmission line to realize the adjustment of the center frequency of the power divider. The center frequency continuously changes in the range of 1.9-2.8 GHz. The reconfigurable power divider has the advantages of continuous working frequency， large-range adjustable function， and can reduce size and cost.

【Key words】Reconfiguration; Power divider; Varactor diodes

0 引言

伴隨着无线通信应用多样化发展，对射频微波系统中的Wilkinson 功分器性能指标也提出了更高要求。传统的Wilkinson功分器的四分之一波长阻抗变换特性，使得只能工作在单一频率或其奇次谐波处，为了加宽功分器的工作频段和带宽，可通过多节电路级联结构来实现，但会导致电路尺寸增大，进而使射频前端器件体积增大，显然不能满足当前通信的多频带、带宽和小型化的发展需求。因此研究小型化、多功能集成化、频率可重构的功分器已成为热点之一[1-2]。

本文研究了一种基于T型的可重构功分器，利用变容二极管的电调特性来实现工作频率可调[3]，其可调频率范围为1.8～2.8 GHz，该功分器具有尺寸小、成本低和工作频率实时、连续、大范围可调的优势。

1 T型结构的可重构原理

T型传输线是由可变电容和两条短传输线组成，可变电容以并联形式加载在两短传输线之间进而构成T型结构，可通过改变可变电容的两端电压来调节电容值，进而改变等效传输线的特性阻抗和相移特性，两者都具有相同的频带特性。根据等效前后电路结构的转移矩阵参数相等，可得[4]。

由以上两式可知，原传输线的阻抗（Z）、电长度（θ）和等效后的短传输线电长度（θ0）可确定等效后的短传输线阻抗（Z0）;可根据等效后的短传输线阻抗（Z0）进而确定共振频率f和可变电容的电容C之间的关系。这里采用变容二极管作为可变电容，通过调节直流反向偏置电压来改变变容二极管的电容值。根据传输线理论和微带传输线的基本特性，可通过选择合适的可变电容、T型结构的短传输线特性阻抗和电长度来等效替代原传输线。

2 设计与仿真分析

为了验证T型结构的可重构性，研究了一个频率可重构的3dB等分Wilkinson功分器设计实例。介质板采用F4B-255，相对介电常数为2.55，介质板厚度为0.8mm，介质损耗角正切值为0.003[4]。变容二极管选用Skyworks公司的SMV2019型号，反向偏置电压从0V变化至20V，对应的等效电容从2.2pF 变化至0.3pF。将含变容二极管SMV2019的T型电路替换传统3dB 等分Wilkinson功分器的λ/4分支传输线，得到了一种频率连续调节的功分器。图1所示的原理图中，变容二极管用DIODE1表示，其中，改变参量Cjo和Bv来实现电容随电压变化而变化，而其他参量值保持不变。

图1中的等分功分器中，上下分支传输线是对称的，因而设置了5个变量，其中，w1、l1为功分器的微带线始端的长宽，w1、l3为功分器的微带线末端的长宽，w2、l2为功分器的T型两短微带线的长宽。经优化仿真后，微带线的长和宽最终分别设置为w1=1.9mm，w2=0.2mm，l1=11mm，l2=6mm，l3=7.59mm。两变容二极管都采用相同的直流反向偏置电压。二极管和电阻封装后，添加至有版图的原理图中，并将版图器件选择成emModel模式来进行联合仿真。

图2所示给出了在不同偏置电压所对应的电容参数下S参数的仿真结果。在工作频带内，该功分器S21和S31大于-3.4dB，端口1的回波损耗S11小于-20dB，端口2与端口3之间的隔离度S23大于20dB。该T型结构功分器在变容二极管的电容改变下，其中心频率点可在1.8～2.8GHz之间连续变化，该功分器具有频率可重构特性，可重构的带宽约为1GHz。

3 结论

本文根据变容二极管能改变传输线特征阻抗和相移的方法，用T型电路等效替代3dB等分Wilkinson功分器的λ/4分支线，实现了频率的可重构性，其可重构的频率范围为1.8～2.8GHz，带宽约为1GHz。回波损耗和隔离度都满足实际工作要求。相对于传统的功分器设计，T型可重构功分器有着更小尺寸，能更好满足无线射频设备小型化发展需求。

【参考文献】

[1]李巧.双频带与宽带功率分配器设计[D].西安电子科技大学，2011.

[2]杨虹，彭洪，彭松，等.基于电长度可调的可重构功分器设计[J].压电与声光，2018，40（02）：202-205.

[3]吴昊旻，敬守钊.一种小型化电调功分器设计[J].电子质量，2013（09）：38-42.

[4]彭焱.5G通信系统中的可重构功率分配器研究与设计[D].广州：华南理工大学，2016.