一种适用于ISM双频段的功率分配器的设计

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                1  引言

                         在中国，无线和移动通信的蓬勃发展需要更多的频谱资源，由此造成了频谱的珍贵和拥挤。为了和商用频段进行区分，同时满足国际上对于工业、科学、医疗等公用领域的需求，我国单独分配了以下四个ISM(Industry, Scientific, Medical)频段作为公用: 315 MHz, 433 MHz, 2.45 GHz, 5.8 GHz。该频段可以不需要申请就能免费使用。在实际的商用系统和芯片产业链中， ISM射频段2.45 GHz和5.8 GHz的有很大的比例。因此，本文提出了一种能同时适用于该两频段的功率分配器，通过严格的电路设计得出了其具体的理想设计参数，通过电磁仿真AWR-MWO和SONNET验证了该类功率分配器的正确性和实用性。
                          
                        2  功率分配器的结构和设计参数

                         早在2006年，双频功率分配器的设计和理论分析就已经得到了深入的研究。双频的概念就是让器件能同时工作在两个不同的频段，其设计原理复杂，被认为是单频器件的极大扩展，因此属于研究的热点。为了满足ISM两个频段的需要，我们希望设计出的功率分配器在满足双频的同时，还需要对中间频率的隔离以此达到滤除噪声的实际效果。因此本文参考的功率分配器的结构，根据其给出的设计公式和设计数据，得出适应于满足ISM中2.45 MHz和 5.8 GHz的功率分配器。其在AWR-MWO中基于理想传输线的平面结构以及具体的电路参数显示在图 1：
                          
       

               

       

                图1  适用于ISM带电路参数的功率分配器结构

                          
                        3  基于理想传输线的MWO仿真

                         采用图 1的电路结构和具体的参数，在MWO中进行频率扫描仿真，得出图2的S参数仿真结果。其仿真时间在一秒钟内。
                          
       

               

       

                图2  基于理想传输线的S参数仿真结果

                从图2的仿真结果可以看出，其三个端口在2.45 GHz 和 5.8 GHz 两个频段上都满足理想的匹配，同时端口2和端口3之间在这两个频段满足理想的隔离。另外从传输参数 S(2,1)可以看出，其在两个频段的功率分配达到了-3dB的理想功率分配特性。值得提出的是在3 GHz 到 5 GHz 之间端口1的匹配参数S(1,1)在-5dB和0dB之间，意味着该频段的信号能在端口1被理想地反射，不会在端口2和端口3 大量输出，达到实用的滤波效果。因此根据理想传输线的严格仿真，验证了该双频功率分配器的正确性。
                          
                        4  基于几何模型的Sonnet全波电磁仿真

                         为了在全波电磁仿真方面验证该功率分配器的正确性。采用传输线理论模型和实际物理参数模型的转化工具(AWR-MWO中的txline)，考虑基板材料Rogers RO3003，其介电常数为3，损耗余弦角为0.0013，基板厚为1.2 毫米。从而得出最终的物理尺寸。其被列在了表1中：
                         表1  功率分配器中传输线的实际物理参数值
       

特性阻抗值(欧姆)	（宽度，长度）                                                                                         (毫米)
16.61	(12.9899, 10.9848)
46.10	(3.41613, 11.5689)
48.82	(3.13038, 11.6087)
50(Ports)	(3.01664,*)

                          
                         最后通过Sonne的几何编辑工具，可以画出如图3的平面结构图。该结构和图1中的模型一样是对称的。为了显示立体参数，图4给出了相应的三维立体图。
                          
       

               

       

                图3  实际双频功率分配器的平面显示图

       

               

       

                图4  实际双频功率分配器的立体几何显示图

       

               

       

                图5  采用SONNET进行电磁仿真的S参数结果图

       

               

       

               

       

                图6  功率分配器在2.36 GHz和5.8 GHz的电流分布图

                从图5的电磁仿真结果图可看到，其两个工作的频点有着一定的偏移，第一个频点从设计值2.45 GHz偏移到2.32GHz，第二个频点从5.8 GHz 偏移到 5.42GHz。该偏移能提前预测出来是电磁仿真工具必要性很好的证明。另外，传输参数S21和理想值-3dB相比减少了0.2dB左右，这个可以用基板的损耗来解释。图6显示了该功率分配器在频率为2.36 GHz和 5.8 GHz时的电流密度分布。可以看到端口1的信号能顺利地分开到端口2和端口3。总的来说，采用电磁全波仿真结果和理想模型参数的结果存在一定的差异。这种差异是客观存在的，只有通过进一步对传输线长度和宽度的适当调整才能得到最理想的电磁仿真结果，只有得到了最精确最理想的电磁仿真结果，才能进一步制作实物，要不然其最终的产品不能满足系统的要求。不过可以从仿真结果看出，在稍微的电路结构调整以及修正频率偏移之后，本文的电路结构能有效满足ISM双频应用的设计。
                          
                        5  结论

                         本文采用理想传输线作为分析的模型，提出了采用添加传输线枝节的方法来设计出同时满足ISM两个射频段的功率分配器。通过AWR-MWO理想传输线的仿真验证了最终设计参数的正确性，通过SONNET全波电磁仿真验证了该功率分配器基本概念的正确性以及采用实际传输线所引起的频率偏移等特点。从本文的设计和仿真中看出，AWR-MWO和SONNET对平面电路的设计有着积极的辅助验证和提前预测性能的能力。本文下一步的工作就是调整该功率分配器的尺寸，得到最能满足ISM双频段的功率分配器最优结果，最后制作出实物来测试并进行商用。