使用DGS结构的宽带Wilkinson功分器设计

许莫琪,董艳红,胡文慧,吴云飞

(佳木斯大学 理学院，黑龙江 佳木斯 154007)

近年来，人们对平面传输线缺地结构(一种混合耦合结构)的频率响应表现出多个电磁带隙(EBG)或阻带特性[1-5]的兴趣日益增长。因此，新型紧凑的Wilkinson功分器可以基于周期或非周期的缺陷地结构(DGS)进行设计。但是，使用全波电磁仿真对缺陷地结构阵列进行直接优化设计是需要耗费相当长的时间才能得到所需的设计参量，特别是当电路中的缺陷地结构数量相当大的时候更耗时。在这种情况下，基于器件等效电路的优化是一种显而易见且易于操作的方式。为了达到这个目的，获得缺陷地结构的简单而又精确的电路模型是一种必要的操作。文献[1]中报道了利用集总元件电路模型对微带地平面一个相当特别的槽谐振器的最初两个谐振模型进行建模。

对于Wilkinson功分器而言，特别是对于宽带的应用场景下，一般需要设计多级级联的Wilkinson功分器来拓展带宽，使用这种方法无疑会使得整个电路的体积增大，这在一定程度上使整个产品本身的尺寸增大很多，不易于携带，同时成本也会增加，无法形成一定的经济效益。本文首先考虑将槽地结构运用在Wilkinson功分器中，构建一种单级的超宽带Wilkinson功分器，尽量使其面积足够小。因此，本文的行文安排为：首先介绍缺陷地结构，并介绍一种等效模型的建模，然后构造一种等分型的Wilkinson功分器。仿真结果表明，基于DGS设计的宽带Wilkinson功分器在16～45 GHz频率范围内插损≤-3.2 dB，并且输出端口2和输出端口3之间的相位基本上保持一致，输入输出端口的回波损耗在10～45 GHz范围内≤-10 dB，输出端口2,3之间的隔离度在15～41 GHz频率范围内满足≤-10 dB。

1 DGS电路模型

2005年，J. S. Hong博士给出了一种适用于平面传输线的缺陷地结构(DGS)的通用电路模型[6]。如图1所示为L型DGS加载的CPW，这里只选取一种具有普遍适用性的电路作为理论分析，其他类型的DGS分析与本文类似。其等效电路如图2所示，假定f01和f02分别是第一和第二谐振频率，fT是过渡频率，这里只考虑第一谐振模式和第二谐振模式，这样，在CPW上的DGS单元可以通过两个LC谐振器(L1，C1，L2，C2)与由Cp，Ls1Ls2组成的T型网络连接起来建模。该T型网络本质上代表两个谐振器之间的相互作用。低于过渡频率fT则第一谐振器主导频率特性，而高于过渡频率fT则第二谐振器主导频率特性。Z0是传输线特征阻抗。为了提取所有电路其他参数，需要从电磁仿真中获得以下参数：f01,f02,fT(f01处的3 dB带宽和f02处的3 dB带宽)，X11,X22和X21是3个在fT的Z参数的虚部。由电路理论可知：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:i=1,2。其中,式(1)可以从传输线参数(即当S21是按照谐振器导纳表示时，单个两端口谐振器

网络的S21)中推导出来。

图1 L型DGS加载的CPW

图2 DGS通用电路模型

2 18～40 GHz 一分二Wilkinson功分器仿真

如图3所示为本文构造的工作在18～40 GHz频段的宽带Wilkinson功分器图，其中，整个功分器分为两个部分。第一部分如图3(a)所示，上表面使用渐变线结构构造传统的Wilkinson功分器，并在隔离电阻与渐变线交汇处添置使用三端开路微带线。第二部分为在对应的开路微带线下方的地开窗，构造缺陷地结构，该缺陷地结构具有上文提到的第一谐振频率和第二谐振频率。在HFSS中构建如图3(b)所示的仿真模型，其中，隔离电阻的阻值为100 Ω。介质基板采用介电常数为9.9的Al2O3板材，腔体高度为2 mm,覆铜厚度1 oz。仿真结果如图4～图7所示。

对模型进行仿真，图4所示为输出端口2和输出端口3的插入损耗随频率变化情况，从图中可以看到，频率在16～45 GHz范围内插损≤-3.2 dB，在14～50 GHz频率范围内插入损耗≤-3.3 dB,而在仿真预期频率范围18～40 GHz内插入损耗≤-3.15 dB，该损耗完全满足产品使用要求，性能优良。

图6 输出端口2,3之间的隔离度随频率变化情况

图7 输出端口2,3相位随频率变化情况

如图5所示为输入端口1和输出端口2以及输出端口3之间的回波损耗仿真结果，仿真表明，输入输出端口的回波损耗在10～45 GHz范围内≤-10 dB，在仿真预期设计的频率范围18～40 GHz内,输入端口的回波损耗满足S11≤-18 dB，输出端口S22,S33满足≤-14 dB。如图6所示为输出端口2和3之间的隔离度仿真结果，在输出端口2,3之间的隔离度在15～41 GHz频率范围内满足≤-10 dB。同时也满足设计预期频率范围内的设计要求。如图7所示为输出端口2和3之间的相位随频率变化仿真结果，从图中可以看出，两个输出端口之间的相位基本满足一致。综上，本文设计了一款工作在18～40 GHz的高频宽带Wilkinson功分器，其各项指标基本达到设计要求。

3 结束语

本文首先介绍缺陷地的基本结构，并进行等效模型建模的理论分析，然后使用HFSS仿真1款基于DGS缺陷地的渐变线型的宽带Wilkinson功分器，仿真表明：在18～40 GHz的预期频率范围内，最大插损为-3.15 dB，隔离度≤-10 dB，输出端口相位变化情况基本一致，S11在整个频段内回波损耗均<-18 dB，S22和S33在整个频段内回波损耗均<-14 dB，其中，S22和S33效果略差，整体而言设计指标较好地满足产品设计使用要求。仿真表明，该宽带Wilkinson功分器在18～40 GHz的频率范围性能和设计指标都得到了良好的设计。同时，由于仿真设计达到了设计之初的设计要求，为今后实物验证提供了理论支撑。