一种新型多波段无线应用的三波段威尔金森功率分配器外文翻译资料

 2022-07-07 02:07

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一种新型多波段无线应用的三波段威尔金森功率分配器

Basem M.Abdelrahman、Hesham N.Ahmed和A.I.Nhid

导语——本文介绍了一种新颖、简单的设计任意三波段威尔金森功率分配器的技术。所提出的技术全部是基于在期望的工作频率下四分之一波长开路短截的使用,将其放置在功率分配器50欧姆输出传输线的适当的位置,创建目标的三波段响应。这些短截线在感兴趣的频率上具有很高的阻抗,同时在工作频带之间引入传输零点。对于一个紧凑的设计,采用慢波结构可以将常规分频器的臂小型化。为了验证上述概念,设计了一种功率分配器,用于在1.5GHz、1.9GHz和2.35 GHz频段工作。结果表明,该电路的最低插入损耗小于0.45 dB,在三个工作频段隔离性能优于15 dB。与最新发表的结论相比,所提出的功率分配器在每个操作频率下表现出最大的分数带宽。此外,它可以很容易地扩展到更多的波段,根据所需的频带数增加四分之一波长开路短截线(QWOS)。

关键词——四分之一波长开路(QWOS),三波段威尔金森功分器。

Ⅰ引言

随着多标准无线通信在当今应用中的普遍应用,在过去的十年中,对多波段应用中各种并行无源电路组件的研究发展势头迅猛。由于功率分配器被认为是无线收发系统中的较为关键部件,因此提出了多种实现多波段工作的配置方案。大部分已发表的作品都是基于著名的威尔金森功率分配器来进行设计的。

威尔金森所提出的匹配对称双向功率分配器是一种用于等幅/相位功率分频的拓扑结构。威尔金森通过在两个输出端口之间引入一个电阻,给出了两个端口同时匹配的匹配双向功率分配器的基本结构,从而提高了它们之间的隔离度。由于威尔金森的功率分配器使用四分之一波长的变换器来匹配短截线和输入端口阻抗,所以变换器的大小--特别是在低频应用中--是不可以接受的。采用传统的方法将这种功率分配器的工作范围扩大到双/三波段,需要单/双不同阻抗变换器。因此,双/三带功率分配器会占用更多的空间,增加电路/芯片面积,特别是在使用低介电常数基板时这种现象特别明显。

在本文中,提出了一种新颖而又简单的技术--即利用四分之一波长开路短截线(Qwos)--来实现一种紧凑的三波段功率分配器。在期望的工作频率上的QWOS被放置在一个沿着功率分配器的50欧姆输出传输线的计算位置,以在这样的频率上呈现出高阻抗,同时引入传输零点来隔离操作带。为了使整个分频器的尺寸小型化,使用了一种慢波结构--如[4]所描述。基于上述概念,实现了一种工作在1.5GHz、1.9GHz和2.35 GHz频段的三波段功率驱动器。

本文总共分为四节。第一节介绍了这项工作的基本内容,并概述了所研究的问题的现状。第二节介绍了QWOS三波段带通滤波器的设计过程。第三节讨论了仿真和测量结果。第四节是给出结论。与目前最先进的三波段功率分配器相比,所提出的分频器的性能见表1:

表1 功率分配器性能参数表

参考类型

工作频率[GHz]

分数宽带[%]

插入损耗(S21 3dB)[dB]

隔离度[dB]

2006

0.9,1.17,2.43

NA

lt;0.4

20

2009

0.93.2.3,3.6

NA

1.56,1.35,1.25

16

2011

1,2.55,3

17.6,4.3,3

0.7,1.2,1.2

15

该设计

1.5,1.9,2.35

40,10.5,17.9

0.325,0.358,0.45

15.4

图1 所提出的新型三带功率分配器的结构

Ⅱ所提出的功率分配器的设计

图1描述了所提出的三波段功率分配器的结构。该功率分配器由宽带威尔金森功率分配器和放置在其两个2路输出的基于QWOS的新型三带通滤波器组成。

A.微型威尔金森功率分配器

利用传输线变换器设计一种等分的威尔金森功率分配器。根据[1]-[4]中的分析,单级分配器足以覆盖频带(1.25 GHz-2.6 GHz)。由于功率分配器的对称性,奇偶模态分析可用于[7],其负载电阻和线路特性的数值如下:

阻抗: , , 还有。由于威尔金森功率分配器的主要限制是传输线变换器的长度特别长,因此采用慢波结构将其小型化。慢波结构依赖于周期性小型化的传输线加载多个开路,如图2所示,用于降低传播波的相位速度;因此,同样的电长度可以使用更小的物理尺寸。将威尔金森功率分配器线路小型化,特性负载线的阻抗应与设计值相匹配。使用最小线宽为10毫米,从而简缩因数可计算为

(1)

其中Ko是非负载线路的相位常数,beta;是负载的相位常数。

周期长度“d”应该足够大,以避免短截线之间的耦合。作为一项实际考虑, 周期长度应大于3h,其中h为基片厚度。选择一个五段周期结构(N=5),确定周期长度为

(2)

1

负载电容的值及其对应的开路短截线长度可从下式计算出

(3-a)

(3-b)

图2 慢波结构 图3 并行三波段带通网络

表2 小型化功分器设计参数综述

参数

计算[mm]

优化[mm]

周期长度

3.679

3

线宽

0.456

0.45

短截宽度

0.456

0.45

短截长度

3.020

2.5

获得的慢波线参数综述如表二所示。与传统线路相比,慢波结构的传输线长度几乎减少了 24.1%。

B.基于QWOS的三波段带通滤波器

在该功分器中,采用QWOS设计了一种三波段带通滤波器。一个并发行三波段带通滤波器的原理图如图3所示。它由三个QWOS组成,每个QWOS的设计都是为了匹配相应的频带。对于紧凑型QWOS,选择特征阻抗Zi为100Omega;,而传输线阻抗Z0保持在50Omega;。该QWOS的尺寸选择是,其中lambda;g是相应所需频带的波长。沿着主传输线的QWOS的位置是基于所需的通带所计算的。所使用的设计公式如下:

(4)

(5)

从0开始计算

. (6)

因此,设计了在1.5GHz,1.9GHz,和 2.35 GHz频段的三波段并行带通滤波器。QWOS的数量与频带数相同{在本次计算中n=3}。使用(4)-(6),K2和K3可以计算为0.8和0.789,分别在传输线的电气长度频带1, 2和3段,可以发现,,,,还有。

对QWOS进行微调以获得更高的分数带宽,同时保持良好的输入/输出回波损耗。表三表明了调整后的设计参数值。如图4所示,获得了良好的性能,中心频率为1.5、1.9和2.35 GHz的三波段带通滤波器的插入损耗分别为0.09、0.25和0.38 dB。

表3 三波段带通网络设计参数

参数

调整前

调整后

L1

19.4

22

L2

24.2

27.7

L3

30.6

35.4

X1

19.4

22

X2

4.8

5.7

X3

6.4

7.7

Ⅲ模拟与测量结果

在这一部分中,给出了所提出的三波段功率分配器的仿真和测试结果。设计的电路在Rogers4350B衬底上实现,其厚度为31毫米,介电常数为3.48。图5展示了所制作的分配器的样实验品照片,该三波段功分器的面积为5.7times;4.4 cm2

图4 并行三带带通网络的插入损耗

图5 三波段功分器的制版

图6模拟(实线)和测量(虚线)的插入损耗和隔离度

图7 模拟(实线)和测量结果(虚线)输入和输出回波损耗

图6给出了电路插入损耗的仿真和测量结果,以及输出端口之间的隔离度。图6演示了仿真和测量结果之间的良好一致性。在这三个工作波段,分别测量了0.325、0.358和0.45 dB的插入损耗,以及良好的的相位平衡分别为0.5°、0.7°和1.2°。此外,在这三个波段中,隔离度明显优于15分贝。

所提出的的功分器的输入和输出的回波损耗的在图中已显示出来,如图7所示,在三个工作频段内,输入和输出回波损耗均优于13 dB。

Ⅳ 结论

在本文中,提出了一种适用于无线多波段应用的新型任意三波段威尔金森功率分配器。该设计依赖于高阻抗QWOS的使用,准确地位于功分器50欧姆传输线输出端口的适当位置,在1.5、1.9和2.35 GHz频段产生三波段响应。在三个工作频段分别引入0.5°、0.7°和1.2°的相位平衡,获得了0.325、0.358和0.45 dB的低测量插入损耗。在最小端口隔离度为15 dB时,在1.5-、1.9-和2.35 GHz频段分别测量出了40%、10.5%和17.9%的分频带宽。尽管该设计的线路面积有轻微的增加,但与其他发表出来的结果相比,它在三个工作波段具有最高的部分带宽。据作者所知,与最近发表的工作相比,本文所实现的分频器在每个操作频带中的带宽是最宽的,并且占据了相当的规模大小,并且具有很低的插入损耗和很好的隔离度。这种新的体系结构可以很容易地扩展到任意数量的高通带。此外,该思想直接向单片微波集成电路的设计方向发展。

采用平行耦合线的同相和反相性宽带的紧凑功率分配器

U.Ahmed和A.Abbosh

本文提出了一种能在100%分数带宽上作为同相和反相功率分配器的新结构。所提出的结构采用两对平行耦合线路,使完成从同相转换为不同相的操作,同时改善了传统威尔金森功率分配器的回波损耗和隔离度。此外,该装置包括用于输入端口阻抗匹配的阶梯阻抗T结。将一对耦合线的两个终端的状态从开放端改为短端,可以实现从同相到反相的操作。在耦合线路之间使用芯片电容可以实现所需的紧密耦合,而不需要有窄的间隙。在制作并测量了样机后,进行的仿真和测试结果表明,在1~3 GHz频段,回波损耗大于10 dB,隔离度大于15 dB。此外,该装置在整个频带内,在同相和反相状态下提供了lt;1°相位不平衡和0.2 dB幅度不平衡。

引言:在器件技术的飞速发展中使得有了体积小、插入损耗低、隔离性好的解决方案,威尔金森功率分配器的性能得到良好的改善,这也已成为研究的重点之一。在近年来,人们对设计改进的威尔金森功率分配器进行了广泛的研究,主要是为了扩大其带宽。这些结果使同相功率分配器的可以得到100%的分数带宽和15–20 dB的隔离度,2.4–4.5%的分数带宽和10 dB 的回波损耗,30–66% 的分数带宽和6–10 dB 的隔离度和10 dB 的回波损耗,100%的分数带宽和20dB 的隔离度,1.35%的分数带宽和10 dB 的回波损耗。 另一方面,设计一种覆盖较宽的工作带宽的反相功率分频器,与设计标准相同的同相功率分配器相比,具有更大的挑战性。为了获得反相特征,近年来

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