微型LTCC Wilkinson功率分配器的设计

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仿真曲线吻合较好，在2.7GHz~3.0GHz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。

引言

　　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。

1 功分器理论分析

　　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]。

　　在偶模激励下，若要端口2匹配，则需要：

(1)

　　而其偶模输入阻抗表达式如下：

(2)

　　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：

(3)

　　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：

(4)

　　当端口匹配，则有奇模输入阻抗等于Z0，可得：

(5)

　　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：

(6)

　　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。

2 功分器设计

2.1 设计方法与过程

　　1)根据拓扑结构在ADS(advanced design system)中构建原理图并优化;

　　2)根据指标要求的封装样式建立模型框架及引脚;

　　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联合仿真;

　　4)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，使三维仿真结果达到最优;

　　5)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。

2.2 理想原理图构建及仿真

　　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如图2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。

2.3 三维模型构建

　　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。其最终三维仿真结果如图4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。

3 生产与测试

　　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，其性能曲线如图6所示。测试曲线和仿真相比，其S21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。

4 结论

　　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。

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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。