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采用谐波抑制和高分数带宽低通滤波器的新型威尔金森功率分配器
Gholamreza Karimi, Samira Menbari
文章信息
关键词：威尔金森功率分配器，谐波抑制，高分数带宽，小型化
摘要
本文提出了一种采用低通滤波器的紧凑型威尔金森功率分配器。与传统的威尔金森功率分配器相比，对第二到第六次谐波抑制的衰减水平小于20分贝，并且该设计结构的占用面积减少到43.5%。另外，它还产生一个宽阻带带宽（5.1 GHz–16 GHz）。除此之外，分数带宽等于44%。根据测量的频率响应，在2.55GHz的中心频率下输入和输出回波损耗大于27dB，隔离度优于46dB。
一 引言
威尔金森和吉赛尔是两种最著名的功率分配器，在微波系统中有多种应用，比如雷达和无线连接。在传统的威尔金森功率分配器中使用四分之一波长的传输线会产生伪频，并且占用的结构面积很大。
为了提高功率分配器的性能，如减小尺寸和抑制谐波，提出了多种方法。参考文献中介绍了威尔金森功率分配器和Gysel功率分配器可以通过开路短截线来抑制谐波。在传统的威尔金森功率分配器中也可以通过加入传输线来抑制谐波。另外，分形几何被证明在以微带线为基础结构的功率分配器中也是一种有效抑制谐波的方法。参考文献中提出吉赛尔功率分配器可以用低通滤波器代替传输线来抑制不必要的谐波并减小其尺寸。采用并联RLC电路和两条双节传输线设计的双频频率分配器可以减小其占用面积。同样的，在威尔金森频率分配器的结构中采用双节传输线和电感可以减小占用面积、抑制多余的谐波，或者提供任意比例的功率分配器。准椭圆滤波器和钩形谐振器被用于改善带外抑制和抑制谐波。为实现宽阻带带宽和谐波抑制，提出了利用短路短截线和带开路短截线的耦合线以及分布式阶梯阻抗谐振器网络对功率分配器进行滤波。阶跃阻抗交指耦合元件、增加非对称螺旋缺陷接地结构（DGS）、前耦合锥形紧凑微带单元（FCTCMRC）、微带电磁带隙单元（EBG）、半波长谐振器和短路枝节加载谐振器（SSLR）的组合是设计一个紧凑的谐波抑制功率分配器的不同方法。本文提出了一种双频不等宽滤波功率分配器（DUFPD），以实现任意功率分频、任意频率比和独立可控带宽的双频滤波响应。也可以使用负折射率传输线（NRI-TL）来实现高分数带宽。除此之外，扩展的左右手复合传输线（E-CRLH-TL）可以用于达到高分数带宽，并显示了带宽扩大的好处。低通滤波器包括T形、Z形和圆形贴片谐振器、希尔伯特形互补单分裂环谐振器（H-CSSRR）和横向共振型低通滤波器（TR-LPF），以实现较宽的阻带带宽。在参考文献【28】中，提出了一种使用L网络（LN）的三波段T型结功率分配器（TTPD），以获得任意的三波段应用、独立的功率分配比和较小的尺寸。参考文献【29】讨论了大量最先进的平板式功率分配器，它可能有助于功率分配器的发展。但是它的主要问题是体积大、有不必要的谐波和低分数带宽（FBW）。
本文提出了一种采用两个低通滤波器（LPF）代替传统功率分配器中的四分之一波长传输线的高分数带宽紧凑型威尔金森功率分频器。这些低通滤波器抑制从第2到第6个不必要谐波，并产生宽阻带带宽（5.1 GHz–16 GHz）。与传统的威尔金森功率分配器相比，这种功率分配器可以将分数带宽提高到44%，电路尺寸减小到43.5%。带谐波抑制的威尔金森功率分配器的设计过程概括如下：
·基本谐振器的设计；第一步是考虑传输线以获得低通滤波器。
·初级低通滤波器的设计；它包括增加圆形的贴片谐振器以抑制更高的无用谐波，并实现较宽的阻带带宽。
·低通滤波器的最后设计步骤；通过增加具有电感特性的T形谐振器来抑制不必要的谐波和获得过渡带的锐度。
·威尔金森功率分配器完善设计；在传统的威尔金森功率分配器结构中，使用推荐的低通滤波器代替四分之一波长传输线。
二 设计结构
图1显示了传统的威尔金森功率分配器的结构和设计用两个低通滤波器来替换四分之一波长传输线制作的功率分配器的结构。四分之一波长传输线和隔离电阻的阻抗分别等于70.7（radic;2Z0）和100Omega;。端口1和端口2在谐振器单元和低通滤波器设计上分别与50和100Omega;电阻连接（如图4、7、9），威尔金森功率分配器各端口均连接50Omega;阻值。这种创造性的设计技术使低通滤波器在功率分配器的结构中起到相当于四分之一波长的传输线的作用，谐振器单元和低通滤波器的频率响应与功率分配器的频率响应相似，从而可以识别威尔金森功率分配器的中心频率。使用低通滤波器的主要目的是提高功率分配器的工作效率。这个设计的低通滤波器可以抑制6次不必要的谐波并提高分数带宽。
三 低通滤波器设计
设计结构中使用的高阻抗和低阻抗无损线、开口、间隙、微带线T形结和最佳直角斜接弯的布局与LC等效电路如图2所示。电感器和电容器的值可以使用参考文献中给出的步骤进行计算。图2（a）可以表明，第二等效电路提出的高阻抗和低阻抗无损线路两端连接相对低阻抗线路。电感器和电容器的值可通过公式计算：
(1)
(2)
表1
设计低通滤波器的LC等效电路的计算值（单位：C、fF;L、nH）。
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参数 |
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计算值 |
0.27 |
0.28 |
1.88 |
0.94 |
2.54 |
0.285 |
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参数 |
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计算值 |
188 |
129.2 |
114.8 |
152.4 |
149.8 |
78.93 |
26 |
(3)
其中，是截止频率下的波导波长，和l分别是线路的特性阻抗和长度。
半圆形谐振器产生一个宽的阻带带宽，它的角度减小会导致阻带带宽增加，并将其转换为圆形贴片谐振器。设计的LPF第一部分是一个圆形的贴片形谐振器，如图3所示。如图4（a）所示，在圆形贴片谐振器的设计中使用了最佳弯曲，以减小谐振器的尺寸并增加阻带带宽。
图4显示了LPF第一部分的布局和LC等效电路，因此是开路和高、低阻抗无损线路的等效电容之和。和是高阻抗和低阻抗无损线路的电感和电容。为传输线电感，为高、低阻抗无损线路与传输线等效电容之和。利用图2中的现有电路，得到了LPF第一部分的LC等效电路。
LPF第一部分的全波电磁模型和LC电路模型性能如图5所示。第一部分可以抑制低通滤波器频率响应中的高次谐波。如图所示，它具有宽的阻带带宽，LPF第一部分的LC等效模拟结果也证明了这一点。
第二部分是由两个具有电感特性的T形谐振器组成的紧凑型微带谐振器单元（CMRC）。利用改进的T形谐振器可以获得过渡带的锐度。图6（a）显示了用于CMRC的两个T形谐振器的基本结构。如图6（b）所示，谐振器单元的结构中使用了最佳的弯曲和间隙，以减小LPF的第二部分的尺寸，并在过渡带中获得更高的锐度。
最后提出的低通滤波器是由紧凑型微带谐振器单元（CMRC）、圆形贴片谐振器和传输线组成的低通滤波器，因此CMRC结构的微小变化可用于防止与圆形贴片谐振器的接触。图7显示了LPF第二段的布局和LC等效电路，因此和是传输线的电感。c4b是高、低阻抗无损耗线和传输线的等效电容之和。、和是高阻抗和低阻抗无损线路的电感和电容。是高、低阻抗无损耗线的等效电容与间隙的并联电容之和，CG是间隙的串联电容。利用图二中的方法得到了低通滤波器第二段的LC等效电路。
(4)
LPF第二部分的全波电磁和LC电路模型仿真结果如图8所示。该低通滤波器的第二部分可以抑制其频率响应中更低频率的不必要谐波。该图表明，频率响应在过渡带具有良好的锐度。从LPF第二部分的LC电路的等效仿真结果可以发现明显的过渡带的谐波抑制和锐度。
图9（a）表明了设计的功率分配器中使用的低通滤波器的布局。这种结构是第一部分和第二部分的组合。在图9（b）中，给出了所设计的低通滤波器的LC等效电路，以演示电路在频率响应中的工作情况。使用公式1-3计算了所设计的低通滤波器的LC等效电路中电容和电感的值，并在表1中给出。
图6的低通滤波器参数为：,,,,,,,（均以毫米为单位），。
图10展示了所设计的低通滤波器的全波电磁模型和LC电路模型模拟结果的比较。如图所示，第一段和第二段的组合抑制不必要谐波，并将工作频率附近的输入回波损耗水平降低到小于35分贝。该低通滤波器在频率响应上具有明显的锐度和宽的过渡带，是低通滤波器插入损耗的理想结果。根据这个频率响应结果，传输零点分别等于5.37、6.63和15.04GHz。此外，这些点可以从低通滤波器的LC等效电路的传递函数中得到。
所设计的低通滤波器的传递函数如式（4）所示。“”表示传输线的匹配阻抗值（)可以使用传输函数计算传输零点。
其中，图11（a）表明所设计的低通滤波器的插入损耗（）是“g”的函数，并且由于“g”的优化值等于0.14mm ，可以通过调整耦合间隙“g”来抑制二次谐波。图11（b）表明LC等效电路的插入损耗是“”的函数，并且可以将“”的值设置为26fF来抑制二次谐波。
四 威尔金森功率分配器的设计
所设计的威尔金森功率分配器由两个低通滤波器组成，如图12所示。这种结构抑制6次不必要谐波，并明显小于传统的结构。它在中心频率为2.55GHz的情况下提供了宽阻带和高分数带宽。
图12中设计的威尔金森功率分配器尺寸为,,,（均以毫米为单位）。R等于100Omega;。
图13展示了所设计的功率分配器的全波电磁和LC电路模型模拟结果的比较。频率响应表明，使用最新设计的低通滤波器代替传统威尔金森功率分配器中的四分之一波长传输线，可以在理想的衰减值下抑制2到6次谐波。它具有宽阻带和高分数带宽。这些结果被认为是改进威尔金森功率分配器的良好一面。
五 模拟和实测结果
新设计的威尔金森功率分配器所用基板为RT/Duroid 5880，其具有以下特性：介电常数为2.2，厚度为0.508 mm，损耗正切为0.0009。如图14所示为制造的具有高分数带宽和谐波抑制的工作频率为2.55GHz的功率分配器照片。制造的功率分配器的尺寸为9.05 mm 10.88 mm（98.464 ），与传统的威尔金森相比，尺寸减小了超过43.5%。该威尔金森功率分配器使用安捷伦的E8361C网络分析仪测量S参数。
图15显示了模拟和实际测量的功率分配器参数的比较。如图所示，实际测量的输入回波损耗（）、输出回波损耗（）和隔离（）在1.87 GHz到2.93 GHz之间小于15 dB。根据实际测量结果，分数带宽（FBW）等于44%。这对于改进传统的威尔金森功率分配器的工作性能是一个很好的结果。如图15（a）所示，测量插入损耗（），从5.1 GHz到16 GHz的不必要谐波已被抑制；换句话说，从第2到第6谐波已被抑制到小于20 dB。这表明插入损耗具有宽的阻带带宽。在2.55GHz的工作频率下，测量的输入回波损耗（）、输出回波损耗（）、隔离（）和插入损耗（）分别为28dB、27dB、46.5dB和3.017dB。这种拓扑结构抑制了不良谐波，在这种情况下，从2到6次抑制谐波分别为20.6dB、20.1dB、23.3dB、24.4dB和32.1dB。
在图16中展示了两个输出端口之间在工作频率附近时的适当相位性能。根据端口2和端口3的模拟参数，作为输出端口时的相位差等于0.05和和的幅度分别等于和。
图17展示了电路工作在中心频率2.55GHz下的情况。如图所示，两个低通滤波器中的电流密度相等。此外，E场分布表明，当信号从输入端口经过时，两个输出端口之间的功率相等，但在隔离电阻处的功率损失为零，这表明了传输和隔离的原理。这些结果也证实了所设计的功率分配器是对称的，并且输出端口是完全隔离的。工作在工作频率下，在改进的T形和圆形贴片谐振器中，传输线中的电流密度分布不止一个。此外，改进型T型谐振器的电流密度分布也很弱，新设计的功率分配器与其他可用于工作的功率分配器比较如表2所示。
六 结论
在传统的威尔金森功率分配器中，采用低通滤波器代替四分之一波长的传输线，提出了一种新的设计方案，以提高威尔金森功率分配器的高次谐波抑制性能。设计、制造和测量了在2.55GHz下运行的功率分配器，该功率分配器的谐波抑制范围为2~6级，衰减水平小于20dB，有较宽的阻带带宽（5.1GHz~16GHz）。与传统结构相比，这种结构将尺寸减小到
资料编号：[3236]
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