微型LTCC Wilkinson功率分配器的設計

摘要：本文提出一種基于LTCC技術的高性能微型Wilkinson功率分配器的設計方法。從Wilkinson功分器的奇偶模阻抗理論出發(fā)，將功分器設計轉化為在偶模下求解阻抗比為2:1 的阻抗變換和在奇模下求解阻抗匹配的問題，采用LC阻抗變換節(jié)取代傳統(tǒng)四分之一波長傳輸線，減小了功分器體積。通過ADS構建原理圖并優(yōu)化，運用HFSS進行擬合，最后通過LTCC工藝加工制造，實測曲線與HFSS仿真曲線吻合較好，在2.7GHz~3.0GHz的帶寬內(nèi)插入損耗小于3.2dB，隔離度大于20 dB，輸入端口反射系數(shù)小于-20dB，尺寸僅為3.2mm×1.6mm×0.9mm。

引言

　　1960年E.J.Wilkinson發(fā)表了名為《An N-way Hybrid Power Divider》的文章，文中提出了一種具有所有端口匹配、損耗低且隔離度高的同相功分器，即現(xiàn)在所謂的Wilkinson功分器，由于這種結構的功分器具有優(yōu)異的性能，在微波射頻領域應用廣泛，已經(jīng)衍生出了形形色色的改進版。

　　Wilkinson功分器結構中含有四分之一波長傳輸線，在微波低頻端，特別在VHF和UHF上尺寸過大，不便應用。本文提出的微型功率分配器，采用LC阻抗變換節(jié)替代傳統(tǒng)電路的四分之一波長傳輸線，大大減小了功分器的體積。同時通過采用LTCC工藝加工制造，利用了LTCC技術在三維集成方面的優(yōu)勢，進行了無源埋置，設計出多層的功率分配器，進一步減小了功分器的體積。相比傳統(tǒng)工藝，LTCC工藝具有更高的集成度、更高的Q值及更靈活的封裝樣式，具有廣泛的應用前景。

　　根據(jù)實際項目需求，本文設計的功分器具體指標如下：中心頻率為2.85GHz，帶寬為300MHz，隔離度高于20dB，回波損耗小于-20dB，尺寸為3.2mm×1.6mm×0.9mm，采用6引腳封裝。

1 功分器理論分析

　　集總元件 Wilkinson 功分器的電路結構如圖1所示，它包含兩個對稱的LC阻抗變換網(wǎng)絡、一個跨接電阻及一個跨接電容。它的S參數(shù)滿足，，其中，1端口為輸入口，2端口和3端口為輸出口。

　　如圖1(a)所示，電路拓撲關于平面 A-A'對稱，可利用奇偶模激勵法進行分析。當在2，3端口加載偶模激勵時，沒有電流流過電容C₂及電阻2Z₀，此時A-A'相當于磁壁，即等效開路狀態(tài);當在2，3 端口加載奇模激勵時，A-A'相當于電壁，等效短路狀態(tài)。圖1(b)與圖1(c)分別給出了偶模激勵和奇模激勵下的等效電路圖^[5-6]。

　　在偶模激勵下，若要端口2匹配，則需要：

(1)

　　而其偶模輸入阻抗表達式如下：

(2)

　　其中ω為工作頻段的中心頻率，根據(jù)式(1)和(2)可以得到電容C1與電感L的值，具體如下：

(3)

　　該電路實際上就是一級LC阻抗匹配電路，在L與C₁取合適的值時，端口2、3匹配，無能量損耗。

　　在奇模激勵下，其等效電路如圖1(c)所示，中軸線線上電壓為零，等效接地，此時端口2奇模輸入阻抗為：

(4)

　　當端口匹配，則有奇模輸入阻抗等于Z0，可得：

(5)

　　當滿足上述公式時，端口2、3輸入的信號全部耗損在隔離電阻2Z₀上，此時端口2與端口3將完全隔離。

　　最后還需要驗證在兩個輸出端口都匹配的情況下，輸入端口是否匹配。已知L、C₁和C₂滿足式(3)、(5)的情況下，兩個輸出端口匹配，又由于兩個輸出端口對稱分布，當信號從輸入端口流入時，電容C2和電阻2Z₀上無電流流過，故可將其移除，此時的等效電路如圖1(d)所示，則輸入端口的內(nèi)部阻抗為：

(6)

　　因此，當L、C₁和C₂滿足式(3)、(5)時，三個端口都將匹配，當信號從端口1進入時，將均勻地分配在端口2和端口3，當信號從端口2或者端口3流入時，其能量只會傳遞到端口1或者消耗在隔離電阻上，兩個輸出端口間將完全隔離，驗證了此結構的科學性。

2 功分器設計

2.1 設計方法與過程

　　1)根據(jù)拓撲結構在ADS(advanced design system)中構建原理圖并優(yōu)化;

　　2)根據(jù)指標要求的封裝樣式建立模型框架及引腳;

　　3)根據(jù)ADS中的理想元件在HFSS(high frequency structure simulator)中建立各元件模型，導出其S參數(shù)文件并與ADS聯(lián)合仿真;

　　4)對模型中電感、電容及其寄生參數(shù)值進行分析，并有針對性地進行調(diào)試，使三維仿真結果達到最優(yōu);

　　5)提取設計數(shù)據(jù)，采用LTCC技術進行加工制造，并對實物的頻率響應特性進行測試，與仿真結果進行對比，驗證設計方法的有效性。

2.2 理想原理圖構建及仿真

　　利用ADS構建原理圖，選定初始值后，運用梯度優(yōu)化算法，對元件值在一定范圍內(nèi)進行優(yōu)化，使其達到項目指標。

　　仿真得到的性能曲線如圖2所示?？梢钥吹?，功分器在2.7GHz至3.0GHz帶寬內(nèi)插入損耗小于-3.1 dB，隔離度大于30dB，輸入端口反射系數(shù)小于–30 dB，輸出端口相位差為零度。

2.3 三維模型構建

　　本設計采用麥捷科技的LTCC產(chǎn)線加工制造，根據(jù)該公司現(xiàn)有材料，選擇了介電常數(shù)為6.2，Q值為5000的陶瓷介質(zhì)作為材料，同時考慮到標準化、易集成等要求，選擇6引腳封裝。內(nèi)部構造及各引腳用途如圖3所示，引腳1、3、5為接地引腳，2為輸入信號引腳，4和6為輸出信號引腳。

　　通過對電感、電容分別擬合，并與ADS中結果進行比較，逐漸調(diào)整電感、電容值，使擬合曲線與ADS中理想曲線相吻合。由于實際元件中寄生效應的存在，在擬合的后期，曲線往往難以吻合，這就需要根據(jù)實際經(jīng)驗對元件值進行有針對性的調(diào)整。其最終三維仿真結果如圖4所示。可以看出，兩輸入端口的插入損耗均小于3.2dB，輸入端口回波損耗及輸出端口隔離度均小于-24dB，兩個輸出端口相位差在1度以內(nèi)，性能非常優(yōu)異。

3 生產(chǎn)與測試

　　總體設計完成后，功分器的性能指標符合項目要求。通過LTCC工藝加工制作并對其性能進行測試檢驗其是否滿足項目需求，其生產(chǎn)樣品和測試夾具如圖5所示。利用安捷倫8719T矢量網(wǎng)絡分析儀測量樣品的散射參數(shù)特性，其性能曲線如圖6所示。測試曲線和仿真相比，其S21曲線吻合較好，駐波及隔離度較仿真曲線相比略有不及，這可能由于加工以及測量的誤差引起。從測試結果看出，該功分器在2.7GHz到3.0GHz帶寬內(nèi)插入損耗小于3.2dB，回波損耗小于-20dB，隔離度大于20dB，輸出端口間相位差控制在1.5°以內(nèi)，線性度良好，滿足項目需求。

4 結論

　　本文提出了一種新型微型Wilkinson功分器，并通過LTCC技術生產(chǎn)制造。通過使用LC匹配電路代替?zhèn)鹘y(tǒng)四分之一波長傳輸線和使用多層布局結構，大大縮小了UHF波段下Wilkinson功分器的體積。論文從理論分析、ADS仿真模型構建、生成測試等方面進行了完整的論述，并從仿真與實測兩方面進行了對比分析，達到了指標要求，具有很高的實際應用價值及推廣價值。

參考文獻：

　　[1] WILKINSON E. An N-way hybrid power divider [J]. IEEE Trans

　　Microwave Theory Tec, 1960, 8(2): 116-118.

　　[2]金謀平,郭俊,王盛舉.半集總參數(shù)環(huán)形電橋設計[J].微波學報，2003, 2(2):112-114.

　　[3]David M. Pozar.Microwave Engineering(Third Edition)[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry,2006.220-230.

　　[4]柳峰,王魯豫,集總元件寬帶Wilkinson功分器的研究[J].電子元件與材料,2010,9(0027):03-05.

　　[5]王小軍，聶 翀.基于實頻技術的小型化Wilkinson十八路功分器設計[J].微波學報,2012(08):351-353.

　　[6]吳昊旻,敬守釗,唐聰.小型化和差功分器的設計[J].電子元件與材料,2014(20):23-27.

本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第7期第37頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。