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微型LTCC Wilkinson功率分配器的设计

发布时间:2022-05-14 08:05:42 来源:AG亚娱网站 作者:亚娱体育

  :本文提出一种基于LTCC技术的高性能微型Wilkinson功率分配器的设计方法。从Wilkinson功分器的奇偶模阻抗理论出发,将功分器设计转化为在偶模下求解阻抗比为 2:1 的阻抗变换和在奇模下求解阻抗匹配的问题,采用 LC 阻抗变换节取代传统四分之一波长传输线,减小了功分器体积。通过ADS构建原理图并优化,运用HFSS进行拟合,最后通过LTCC工艺加工制造,实测曲线与HFSS仿线GHz的带宽内插入损耗小于3.2dB,隔离度大于20 dB,输入端口反射系数小于-20d

  摘要:本文提出一种基于LTCC技术的高性能微型Wilkinson功率分配器的设计方法。从Wilkinson功分器奇偶模阻抗理论出发,将功分器设计转化为在偶模下求解阻抗比为2:1 的阻抗变换和在奇模下求解阻抗匹配的问题,采用LC阻抗变换节取代传统四分之一波长传输线,减小了功分器体积。通过ADS构建原理图并优化,运用HFSS进行拟合,最后通过LTCC工艺加工制造,实测曲线与HFSS仿线GHz的带宽内插入损耗小于3.2dB,隔离度大于20 dB,输入端口反射系数小于-20dB,尺寸仅为3.2mm×1.6mm×0.9mm。

  1960年E.J.Wilkinson发表了名为《An N-way Hybrid Power Divider》的文章,文中提出了一种具有所有端口匹配、损耗低且隔离度高的同相功分器,即现在所谓的Wilkinson功分器,由于这种结构的功分器具有优异的性能,在微波射频领域应用广泛,已经衍生出了形形色色的改进版。

  Wilkinson功分器结构中含有四分之一波长传输线,在微波低频端,特别在VHF和UHF上尺寸过大,不便应用。本文提出的微型功率分配器,采用LC阻抗变换节替代传统电路的四分之一波长传输线,大大减小了功分器的体积。同时通过采用LTCC工艺加工制造,利用了LTCC技术在三维集成方面的优势,进行了无源埋置,设计出多层的功率分配器,进一步减小了功分器的体积。相比传统工艺,LTCC工艺具有更高的集成度、更高的Q值及更灵活的封装样式,具有广泛的应用前景。

  根据实际项目需求,本文设计的功分器具体指标如下:中心频率为2.85GHz,带宽为300MHz,隔离度高于20dB,回波损耗小于-20dB,尺寸为3.2mm×1.6mm×0.9mm,采用6引脚封装。

  集总元件Wilkinson 功分器的电路结构如图1所示,它包含两个对称的LC阻抗变换网络、一个跨接电阻及一个跨接电容。它的S参数满足,,其中,1端口为输入口,2端口和3端口为输出口。

  如图1(a)所示,电路拓扑关于平面 A-A对称,可利用奇偶模激励法进行分析。当在2,3端口加载偶模激励时,没有电流流过电容C2及电阻2Z0,此时A-A相当于磁壁,即等效开路状态;当在2,3 端口加载奇模激励时,A-A相当于电壁,等效短路状态。图1(b)与图1(c)分别给出了偶模激励和奇模激励下的等效电路图[5-6]。

  其中ω为工作频段的中心频率,根据式(1)和(2)可以得到电容C1与电感L的值,具体如下:

  该电路实际上就是一级LC阻抗匹配电路,在L与C1取合适的值时,端口2、3匹配,无能量损耗。

  在奇模激励下,其等效电路如图1(c)所示,中轴线线上电压为零,等效接地,此时端口2奇模输入阻抗为:

  当满足上述公式时,端口2、3输入的信号全部耗损在隔离电阻2Z0上,此时端口2与端口3将完全隔离。

  最后还需要验证在两个输出端口都匹配的情况下,输入端口是否匹配。已知L、C1和C2满足式(3)、(5)的情况下,两个输出端口匹配,又由于两个输出端口对称分布,当信号从输入端口流入时,电容C2和电阻2Z0上无电流流过,故可将其移除,此时的等效电路如图1(d)所示,则输入端口的内部阻抗为:

  因此,当L、C1和C2满足式(3)、(5)时,三个端口都将匹配,当信号从端口1进入时,将均匀地分配在端口2和端口3,当信号从端口2或者端口3流入时,其能量只会传递到端口1或者消耗在隔离电阻上,两个输出端口间将完全隔离,验证了此结构的科学性。

  3)根据ADS中的理想元件在HFSS(high frequency structure simulator)中建立各元件模型,导出其S参数文件并与ADS联合仿线)对模型中电感、电容及其寄生参数值进行分析,并有针对性地进行调试,使三维仿线)提取设计数据,采用LTCC技术进行加工制造,并对实物的频率响应特性进行测试,与仿真结果进行对比,验证设计方法的有效性。

  利用ADS构建原理图,选定初始值后,运用梯度优化算法,对元件值在一定范围内进行优化,使其达到项目指标。

  仿真得到的性能曲线所示。可以看到,功分器在2.7GHz至3.0GHz带宽内插入损耗小于-3.1 dB,隔离度大于30dB,输入端口反射系数小于–30 dB,输出端口相位差为零度。

  本设计采用麦捷科技的LTCC产线加工制造,根据该公司现有材料,选择了介电常数为6.2,Q值为5000的陶瓷介质作为材料,同时考虑到标准化、易集成等要求,选择6引脚封装。内部构造及各引脚用途如图3所示,引脚1、3、5为接地引脚,2为输入信号引脚,4和6为输出信号引脚。

  通过对电感、电容分别拟合,并与ADS中结果进行比较,逐渐调整电感、电容值,使拟合曲线与ADS中理想曲线相吻合。由于实际元件中寄生效应的存在,在拟合的后期,曲线往往难以吻合,这就需要根据实际经验对元件值进行有针对性的调整。其最终三维仿线所示。可以看出,两输入端口的插入损耗均小于3.2dB,输入端口回波损耗及输出端口隔离度均小于-24dB,两个输出端口相位差在1度以内,性能非常优异。

  总体设计完成后,功分器的性能指标符合项目要求。通过LTCC工艺加工制作并对其性能进行测试检验其是否满足项目需求,其生产样品和测试夹具如图5所示。利用安捷伦8719T矢量网络分析仪测量样品的散射参数特性,其性能曲线所示。测试曲线曲线吻合较好,驻波及隔离度较仿真曲线相比略有不及,这可能由于加工以及测量的误差引起。从测试结果看出,该功分器在2.7GHz到3.0GHz带宽内插入损耗小于3.2dB,回波损耗小于-20dB,隔离度大于20dB,输出端口间相位差控制在1.5°以内,线性度良好,满足项目需求。

  本文提出了一种新型微型Wilkinson功分器,并通过LTCC技术生产制造。通过使用LC匹配电路代替传统四分之一波长传输线和使用多层布局结构,大大缩小了UHF波段下Wilkinson功分器的体积。论文从理论分析、ADS仿真模型构建、生成测试等方面进行了完整的论述,并从仿真与实测两方面进行了对比分析,达到了指标要求,具有很高的实际应用价值及推广价值。

  本文来源于中国科技期刊《电子产品世界》2016年第7期第37页,欢迎您写论文时引用,并注明出处。