文献综述-是是是

1、功分器文献综述/、八1前言功分器是将输入信号功率分成相等或不相等的几路输出的一种多端口网络,它广泛应用于雷达系统及天线的馈电系统中。在通讯设备中，功分器有着非常广 泛的应用，例如在相控阵雷达系统中，要将发射机功率分配到各个发射单元中去。 实际中常需要将某一功率按一定比例分配到各分支电路中。2功分器基本原理2.1功分器概述功分器是将一路输入信号分解成二路及二路以上的输出器件，或将多路信号的能量合成一路输出。功分器的各个输出端口之间应有一定的隔离度。功率分配器可看作简单的多端口网络结构，信号输入功率为Pl,各输出端口功率为P2, P3,，Pn,且Pi= R+P3+Pn对两路功分器来说，如果 P2=

2、P3，则为3dB等分 功分器，若P2=KR,则为比例型不等分功分器。本文主要讨论两路输出功分器。功分器舄 A.A*功分器ZJ MU: F* :<(a)(b)图2功率分配器示意閘(祠多路功分器(折两路功分器2.2功分器分类功分器是一种三端口网络容易证明，构成所有端口都匹配的三端口互易无耗 网络是不可能。当互易，无耗，匹配任意放宽一个条件则器件可以实现。据此可 将一般功分器分为三种1、无耗功分器无耗功分器常见结构如下图所示，无耗功分器具有无耗的特性，但是它不能 全部端口匹配，输出端口之间无隔离图2.2无耗分配器常见结构2、电阻性分配器电阻性分配器结构示意图如图2.3所示。电阻性分配器可以做到

3、全部端口匹 配，但是它不是无耗的，供给功率的一半消耗在了电阻上图2.3电阻性分配器结构示意图3、Wilkinson 功分器Wilk in son功分器是这样一种网络：当输出端口都匹配时，它仍具有无耗的特 性，它只是耗散了反射功率。2.3 Wilk in son 功分器最简单的二分功分器属于三端网络口。工程上对信号之间的隔离要求很高， 而无功耗三端口网络耦合程度不高，且输出端口与负载间无隔离，故采用威尔金森提出的混合型功率分配器，它在功率分配器的输出端加入隔离电阻来实现信号的隔离、匹配，从而改善了传统功率分配器的不足。它采用的原理是引入隔离电阻使功率分配器变成有能耗的三端网络口，从而做到完全匹配

4、且各输出端口具有隔离作用。同时，能够实现任意的功率分配比，且可方便地用微带线或带状线来实现。其结构如图2.4所示。图2.4 Wilk in son功分器结构通过奇偶模分析可得等分Wilkinson功分器参数如下：四分之一波长变换阻抗：Z=2Z0,隔离电阻：R=2ZS参数：I 任端口 1, = 1）21 = 53 = 0（端口 2和端口 3匹！对于偶模和奇模）= g = -込（端口 2和端U 3对称）523 = 5,3 = 0（由于矗剂分卜的短路或开路）Wilkinson功分器的特性可以通过以下各项指标来描述：带宽? （?0瀚/?中心频率为?插入损耗为-20? |隔离度为-20?處|回波损耗为-

5、20? |3国内功分器文献分析在中国知网、维普等数据库通过搜索功分器、功率分配器、宽带、宽频等关 键字查找到了部分关于宽频功分器的文献。在找到的文献中，绝大部分是采用双节结构实现双频Wilkinson功分器或采用多节变换器来实现宽频Wilkinson功分器。文献中的Wilkinson功分器频率范围一般可以达到 2-18Ghz。另外在中文文献 中所述结构大部分是分立器件结构，没有搜索到用于集成电路中的Wilkinson功分器结构例如文献1双频及宽带功率分配器的研究与设计，提到了如下图3.1所示的双节结构Wilk in son功分器结构二«:烷L$«l图3.1所示的双节结构 W

6、ilkinson功分器结构该文还给出了一种2-18GHZ宽带功分器结构，如图3.2所示，该结构利用渐 变传输线原理，将传统 Wilkinson结构中的四分之一波长变换器用渐变传输线代 替>XIIt 6.1J H扁吏匹配节那零协冷带建说计墓殖/00.10.20J0.40.50.61 0J0.SQ.9iZ/C1985W.59L884.177.771.16536053.2SI.6FE'min0.420.460.4907（）._00.S30.971.111.24LM1.42I图3.2 2-18GHZ宽带功分器结构还有几篇文献原理结构与该文献类似。4国外文献分析由于四分之一波长变换器长度达

7、到 mm量级，传统的 Wilkinson功分器结构 无法用于微波集成电路中，在微波集成电路中必须寻找其他结构代替传统Wilkinson功分器结构。在 IEEE等数据库通过搜索 power splitter、power divider、wideband、MMIC、RFIC等关键词查找到了部分关于宽频功分器的文献。在查找到的文献中，大部分文献利用集总元件代替四分之一波长变换器实现Wilkinson功分器，但形式不尽相同。例如文献2 X-BAND AND K-BAND LUMPED WILKINSON POWER DIVIDERS WITH A MICROMACHINED TECHNOLOGY用下图

8、4.1结构在Si衬底上实现中心频率分 别为8.5Ghz和20Ghz的Wilk in son功分器。并提到了集总元件相比传输线有更高 的贷款范围，但线性度更差。llM;L(nH)C(pF>R（n）85GfU1340.2710020 GHz0.56041100图4.1集总元件 Wilk in son功分器原理图文献3 Optimum desig n of a mini aturized on chip wide band power dividercomb iner combined with impedanee transformer 利用如图 4.2 所示结构在 SiGe BiCMOS工

9、艺下实现17-33Ghz的等分Wilk in son功分器。Z；图4.2 种集总元件构成的宽频Wilk in son功分器文献4A New Broadband Miniature RF Power Splitter通过一个 transformer 来 替代四分之一波长变换器实现Wilkinson功分器。其给出的实例频率范围为20Mhz-2Ghz 器件大小为 8 mmx6mm。图4.3利用transformer实现 Wilkinson功分器文献5Wideband Mixed Lumped-Distributed-Element 90 ° and 180 ° Power Spl

10、itters on Silicon Substrate for Millimeter-Wave Applications介绍了 p 型和 n 型相 位转换电路如图4.4,并给出了 77Ghz频率下90/180度相位变换的功分器结构如 图4.5Fig. 3. Unit Cells for generating +90° and ±45° phase shifts, (a) RHh network (b) LHT network,图4.4TIJ,T15Fig. 4. Mixed luinpc d-di s tribu tcd-c 1c me nt out-oPphas

11、e power yplitter,图4.5文献 6An X-band GaN HEMTHybrid Power Amplifier with Low-loss Wilkinson Division on AlN Substrate给出了用TaN材料做隔离薄膜电阻的功分器文献 7 An -Band Lumped-Element Wilkinson Combiner With Embedded Impeda nee Tran sformation给出了输出与输入端口特征阻抗不同时LWS的设计方法，以及适用于X波段的宽带功分器结构，功分器中的阻抗匹配结构用两个级联 的len型电路实现的，如图4.6L

12、L=440pHOC=52fF°rZHrZ-rc° °图4.6文献 8A Compact SiGe BiCMOS four-way Differential Power Divider/Combin给 出了一种结构小巧的在 SiGe BiCMOS工艺下实现的4路功分器结构，结构电路 等效图及版图示意图如图4.7图4.7rC>5(1LrmCmrYYYYYYYYYYYri文献 9 A Fully Differential Ultra-Compact Broadband Transformer-BasedWilk in son Power Divider 给出了基于

13、 LWS 结构的 tran sformer 结构(a)TRF2PortJTRF1图4.8文献 10 120 GHz Phased-Array Circuits in 0.25卩 m SiGe BiCMOS 给efeh no logy了给出了一个在BiCMOS工艺下实现的120Ghz的相位阵列电路，其中的功分器结构也是通过n型电路等效传统的四分之一波长变换器。如图4.9Phisc Swn ching VGA120W口卑”"vci vca Control Circuit*图4.95总结通过对文献的分析可以看出，微波集成电路的芯片面积是微米量级，而四分 之一波长变换器在10Ghz左右频率是毫米量级。在微波集成电路中实现 Wilkinson 功分器的关键是必须寻找方法替代传统结构中的四分之一波长变换器。文献中比较常见的替代四分之一波长变换器的方法有两个。一个是通过多节变换器替代， 另一个是通过电容电感等集总元件来替代， 而且集总元件相比传输线有更宽的频 率范围。参考文献1 双频及宽带功率分配器的研究与设计2 X-BAND AND K-BAND LUMPED WILKI