一種適用于ISM雙頻段的功率分配器的設(shè)計(jì)

　　1 引言

　　在中國，無線和移動(dòng)通信的蓬勃發(fā)展需要更多的頻譜資源，由此造成了頻譜的珍貴和擁擠。為了和商用頻段進(jìn)行區(qū)分，同時(shí)滿足國際上對(duì)于工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療等公用領(lǐng)域的需求，我國單獨(dú)分配了以下四個(gè)ISM(Industry, Scientific, Medical)頻段作為公用：315 MHz， 433 MHz， 2.45 GHz， 5.8 GHz.該頻段可以不需要申請就能免費(fèi)使用。在實(shí)際的商用系統(tǒng)和芯片產(chǎn)業(yè)鏈中，ISM射頻段2.45 GHz和5.8 GHz的有很大的比例。因此，本文提出了一種能同時(shí)適用于該兩頻段的功率分配器，通過嚴(yán)格的電路設(shè)計(jì)得出了其具體的理想設(shè)計(jì)參數(shù)，通過電磁仿真AWR-MWO和SONNET驗(yàn)證了該類功率分配器的正確性和實(shí)用性。

　　2 功率分配器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)參數(shù)

　　早在2006年，雙頻功率分配器的設(shè)計(jì)和理論分析就已經(jīng)得到了深入的研究。雙頻的概念就是讓器件能同時(shí)工作在兩個(gè)不同的頻段，其設(shè)計(jì)原理復(fù)雜，被認(rèn)為是單頻器件的極大擴(kuò)展，因此屬于研究的熱點(diǎn)。為了滿足ISM兩個(gè)頻段的需要，我們希望設(shè)計(jì)出的功率分配器在滿足雙頻的同時(shí)，還需要對(duì)中間頻率的隔離以此達(dá)到濾除噪聲的實(shí)際效果。因此本文參考的功率分配器的結(jié)構(gòu)，根據(jù)其給出的設(shè)計(jì)公式和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，得出適應(yīng)于滿足ISM中2.45 MHz和 5.8 GHz的功率分配器。其在AWR-MWO中基于理想傳輸線的平面結(jié)構(gòu)以及具體的電路參數(shù)顯示在圖1:

　　圖1 適用于ISM帶電路參數(shù)的功率分配器結(jié)構(gòu)

　　3 基于理想傳輸線的MWO仿真

　　采用圖1的電路結(jié)構(gòu)和具體的參數(shù)，在MWO中進(jìn)行頻率掃描仿真，得出圖2的S參數(shù)仿真結(jié)果。其仿真時(shí)間在一秒鐘內(nèi)。

　　圖2 基于理想傳輸線的S參數(shù)仿真結(jié)果

　　從圖2的仿真結(jié)果可以看出，其三個(gè)端口在2.45 GHz 和 5.8 GHz 兩個(gè)頻段上都滿足理想的匹配，同時(shí)端口2和端口3之間在這兩個(gè)頻段滿足理想的隔離。另外從傳輸參數(shù) S(2,1)可以看出，其在兩個(gè)頻段的功率分配達(dá)到了-3dB的理想功率分配特性。值得提出的是在3 GHz 到 5 GHz 之間端口1的匹配參數(shù)S(1,1)在-5dB和0dB之間，意味著該頻段的信號(hào)能在端口1被理想地反射，不會(huì)在端口2和端口3 大量輸出，達(dá)到實(shí)用的濾波效果。因此根據(jù)理想傳輸線的嚴(yán)格仿真，驗(yàn)證了該雙頻功率分配器的正確性。

　　4 基于幾何模型的Sonnet全波電磁仿真

　　為了在全波電磁仿真方面驗(yàn)證該功率分配器的正確性。采用傳輸線理論模型和實(shí)際物理參數(shù)模型的轉(zhuǎn)化工具(AWR-MWO中的txline)，考慮基板材料Rogers RO3003，其介電常數(shù)為3，損耗余弦角為0.0013，基板厚為1.2 毫米。從而得出最終的物理尺寸。其被列在了表1中：

　　表1 功率分配器中傳輸線的實(shí)際物理參數(shù)值

　　特性阻抗值(歐姆)(寬度，長度)

　　(毫米)

　　16.61(12.9899, 10.9848)

　　46.10(3.41613, 11.5689)

　　48.82(3.13038, 11.6087)

　　50(Ports)(3.01664,*)

　　最后通過Sonne的幾何編輯工具，可以畫出如圖3的平面結(jié)構(gòu)圖。該結(jié)構(gòu)和圖1中的模型一樣是對(duì)稱的。為了顯示立體參數(shù)，圖4給出了相應(yīng)的三維立體圖。

　　圖3 實(shí)際雙頻功率分配器的平面顯示圖

　　圖4 實(shí)際雙頻功率分配器的立體幾何顯示圖

　　圖5 采用SONNET進(jìn)行電磁仿真的S參數(shù)結(jié)果圖

　　圖6 功率分配器在2.36 GHz和5.8 GHz的電流分布圖

　　從圖5的電磁仿真結(jié)果圖可看到，其兩個(gè)工作的頻點(diǎn)有著一定的偏移，第一個(gè)頻點(diǎn)從設(shè)計(jì)值2.45 GHz偏移到2.32GHz，第二個(gè)頻點(diǎn)從5.8 GHz 偏移到 5.42GHz.該偏移能提前預(yù)測出來是電磁仿真工具必要性很好的證明。另外，傳輸參數(shù)S21和理想值-3dB相比減少了0.2dB左右，這個(gè)可以用基板的損耗來解釋。圖6顯示了該功率分配器在頻率為2.36 GHz和5.8 GHz時(shí)的電流密度分布。可以看到端口1的信號(hào)能順利地分開到端口2和端口3?？偟膩碚f，采用電磁全波仿真結(jié)果和理想模型參數(shù)的結(jié)果存在一定的差異。這種差異是客觀存在的，只有通過進(jìn)一步對(duì)傳輸線長度和寬度的適當(dāng)調(diào)整才能得到最理想的電磁仿真結(jié)果，只有得到了最精確最理想的電磁仿真結(jié)果，才能進(jìn)一步制作實(shí)物，要不然其最終的產(chǎn)品不能滿足系統(tǒng)的要求。不過可以從仿真結(jié)果看出，在稍微的電路結(jié)構(gòu)調(diào)整以及修正頻率偏移之后，本文的電路結(jié)構(gòu)能有效滿足ISM雙頻應(yīng)用的設(shè)計(jì)。

　　5 結(jié)論

　　本文采用理想傳輸線作為分析的模型，提出了采用添加傳輸線枝節(jié)的方法來設(shè)計(jì)出同時(shí)滿足ISM兩個(gè)射頻段的功率分配器。通過AWR-MWO理想傳輸線的仿真驗(yàn)證了最終設(shè)計(jì)參數(shù)的正確性，通過SONNET全波電磁仿真驗(yàn)證了該功率分配器基本概念的正確性以及采用實(shí)際傳輸線所引起的頻率偏移等特點(diǎn)。從本文的設(shè)計(jì)和仿真中看出，AWR-MWO和SONNET對(duì)平面電路的設(shè)計(jì)有著積極的輔助驗(yàn)證和提前預(yù)測性能的能力。本文下一步的工作就是調(diào)整該功率分配器的尺寸，得到最能滿足ISM雙頻段的功率分配器最優(yōu)結(jié)果，最后制作出實(shí)物來測試并進(jìn)行商用。