蒋红梅 闭斌双
摘 要
基于π型传输线可调结构，研究并分析了一款面向5G通信的小型化频率可重构的等分功分器。该功分器根据传输线特征阻抗和相移的可重构技术进行设计，并利用变容二极管可调谐特性来调节频率，实现了4.628～6.219 GHz连续可调频率范围，覆盖了多个通信频段。该功分器具有尺寸小、电路简单、工作频率连续可调的优点。
关键词
变容二极管;频率可重构;小型化;功分器
中图分类号： TN626 文献标识码： A
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.012
0 引言
随着人们对无线通信的需求日益增长，微波电路在无线通信领域中的应用也日益繁多，而微波功率分配器（简称：功分器）是微波电路中的重要组成部分，也是射频前端的重要器件之一。无线通信系统需要多个通信频段来工作，这样增加系统的复杂性、增大电路的尺寸和功耗，因此，迫切要求小型化、可调性的通信设备来满足射频微波技术领域的需求[1-2]。目前，传统的单一工作频率、体积较大、结构复杂的功分器已无法满足可重构阵列天线技术和5G时代移动通信系统的快速发展需求。可重构功分器因具有复用性、可调性以及灵活性等特性，得到越来越多学者们的重视[3]。
本文研究基于π型结构的频率可重构功分器在5G通信频段的应用，该功分器可调频率范围为4.628～6.219GHz，覆盖了5.725～5.850GHz的ISM医疗频段和4800MHz～ 5000MHz的5G系统的工作频段。该功分器具有尺寸小、易于集成、电路简单的特点，可以提高频谱资源的利用率和使通信设备小型化[4]。
1 π型传输线结构原理
目前应用广泛、性能优异的功分器多为Wilkinson形式的功分器，其具有电路结构简单、易于实现，输出端口之间隔离度良好的优点，但传统的Wilkinson功分器存在工作频率单一、带宽有限，并且由于其工作原理，存在尺寸较大的缺点，不利于射频前端的集成和5G通信系统的小型化、多功能的发展需求，而可重构功分器可以克服以上缺点。可重构功分器根据微带传输线的基本特性和传输线理论，通过加载可变电容的传输线等效电路来实现特定传输线的特征阻抗与相移的可重构性。本文采用基于π型结构的传输线来实现工作频率可重构的功分器，在具有相同频带特性的基础上，其电路尺寸较小。
图1为等效前的原传输线和π型结构传输线。π型结构的传输线是由两个并联可调电容和一条串联的传输线构成的电路。同时调节传输线两边的并联电容的电容值可以改变π型结构传输线的特征阻抗和相移特性，但等效前后的传输特性是相同的。根据传输线的奇偶模相关理论，以及二端口网络的级联理论，可得图1的两种传输线的转移矩阵分别为[5]：
其中，等效前的原传输线的导纳、特性阻抗和电长度分别为Y、Z和θ;而等效后π型结构中的微带传输线的导纳、特性阻抗和电长度分别是Y0、Z0和θ0;变容二极管的导纳为Yc 。通过选择合适的可变电容、特性阻抗和电长度，则能改变原传输线的特性阻抗和相移。已知，θ为3dB Wilkinson功分器的λ/4传输线的电长度;Yc=2πf·Cπ;同时根据等效前后电路的转移矩阵相等，可得：
其中，π型结构的并联可变电容值为Cπ;可重构功分器的工作频率为f。等效前的原传输线的特性阻抗为Z=50Ω，由上式（4）可知，当电长度θ确定时，f与Cπ成反比关系，即可通过可调并联电容Cπ值来改变工作频率f，进而实现工作频率的连续可调。
2 仿真分析及研究
本文研究应用于5G通信频段的基于π型结构的频率可调功分器。采用ADS2015软件对该功分器进行仿真分析，基于上述的π型结构原理，将π型结构电路等效替代传统的等分威尔金森功分器的两λ/4传输支路，π型結构的等分功分器原理图如图2所示。其中，变容二极管DIODEM1选用SMV2019-079LF型，其可调电压范围为0～20V，对应的电容范围为0.3～2.22pF，通过调节直流反向偏置电压来改变电容值，为了简化电路，所有变容二极管都采用相同的反向偏置电压，即在仿真中，四个变容二极管同时变化且取值相等，其中，变容二极管SMV2019-079 LF等效模型中，主要通过改变Cjo值进而实现电容的连续可调。
该功分器的电长度设置为λ/6，选用微波复合材料F4B -255为介质基板，其介电常数Er=2.55，厚度为H=0.8mm，损耗角正切值TanD=0.003。经过参数的仿真优化，最终确定微带线的参数值。图2中，功分器的输入端的微带线长l1=3mm、宽w1=8mm;上下两对称的π型结构中的微带线长l2=7.27mm、宽w2=0.2mm;功分器两输出端口的微带线长l3=16.37mm、宽w1=8mm，隔离电阻R=100Ohm。仿真结果如图3所示。相对于传统的Wilkinson功分器而言，该功分器版图面积为24mm ×35mm，其具有尺寸小、成本低的优势。
图3中，S32表示输出端口2、3之间的隔离度，S11表示输入端口1的回波损耗，参数S32、S11值越小越好。当同时满足S32和S11均优于20dB时，电容值的可调范围为0.39～ 0.69pF;可调频率范围为4.628～6.219 GHz，可调的频率带宽约为1.59GHz。在可调频率范围内，插入损耗S21值低于-4.5dB，与参考文献[5]比较，说明，随着频率的升高，功分器的插入损耗越大，传输的效率越低。
由图4可知，在整个调谐带宽内，在不同的频率点时，S参数的S32、S11和S21值不同，可重构频率范围的中心频率值约为5.4GHz，在中心频率附近时，S32、S11性能更好，偏离中心频率时，S32、S11性能越差。传输系数S21随着工作频率的升高而略增大，当频率为4.628GHz时，传输系数S21为-5dB，当频率为6.219GHz时，S21为-4.52dB，可见，两者相差约0.5dB，表明，在整个调谐带宽内有约0.5dB的波动。由图5可知，调谐带宽内，当可变电容Cjo增大时，该功分器的工作频率下降，进而验证π型传输线结构原理的结论：工作频率与变容二极管电容成反比。
3 结束语
本文采用基于π型传输线结构原理来分析面向5G通信的频率可重构的等分功分器，该功分器能够实现工作频率从4.628～6.219GHz的宽带可调，该频段覆盖了ISM的医疗频段和5G系统的工作频段，并且，其输出端口间的隔离度和回波损耗均优于20dB。同时，该功分器具有尺寸小、成本低优势，具有重要的研究价值和应用前景。
参考文献
[1]程飞，李承泽，彭飞.工作频率可调的微带功分器[P].中国专利：CN105375093A，2016-03-02.
[2]李巧.双频带与宽带功率分配器设计[D].西安电子科技大学，2011.
[3]叶秀眺.可重构微带功分器设计与实现[D].西安电子科技大学，2018.
[4]赵明.工信部确定5G使用频段[J].计算机与网络，2017，43（21）：17.
[5]彭焱.5G通信系统中的可重构功率分配器研究与设计[D].华南理工大学，2016.
