一種適用于ISM雙頻段的功率分配器的設計

　　1 引言

　　在中國，無線和移動通信的蓬勃發(fā)展需要更多的頻譜資源，由此造成了頻譜的珍貴和擁擠。為了和商用頻段進行區(qū)分，同時滿足國際上對于工業(yè)、科學、醫(yī)療等公用領域的需求，我國單獨分配了以下四個ISM(Industry, Scientific, Medical)頻段作為公用：315 MHz， 433 MHz， 2.45 GHz， 5.8 GHz.該頻段可以不需要申請就能免費使用。在實際的商用系統(tǒng)和芯片產(chǎn)業(yè)鏈中，ISM射頻段2.45 GHz和5.8 GHz的有很大的比例。因此，本文提出了一種能同時適用于該兩頻段的功率分配器，通過嚴格的電路設計得出了其具體的理想設計參數(shù)，通過電磁仿真AWR-MWO和SONNET驗證了該類功率分配器的正確性和實用性。

　　2 功率分配器的結構和設計參數(shù)

　　早在2006年，雙頻功率分配器的設計和理論分析就已經(jīng)得到了深入的研究。雙頻的概念就是讓器件能同時工作在兩個不同的頻段，其設計原理復雜，被認為是單頻器件的極大擴展，因此屬于研究的熱點。為了滿足ISM兩個頻段的需要，我們希望設計出的功率分配器在滿足雙頻的同時，還需要對中間頻率的隔離以此達到濾除噪聲的實際效果。因此本文參考的功率分配器的結構，根據(jù)其給出的設計公式和設計數(shù)據(jù)，得出適應于滿足ISM中2.45 MHz和 5.8 GHz的功率分配器。其在AWR-MWO中基于理想傳輸線的平面結構以及具體的電路參數(shù)顯示在圖1:

　　圖1 適用于ISM帶電路參數(shù)的功率分配器結構

　　3 基于理想傳輸線的MWO仿真

　　采用圖1的電路結構和具體的參數(shù)，在MWO中進行頻率掃描仿真，得出圖2的S參數(shù)仿真結果。其仿真時間在一秒鐘內(nèi)。

　　圖2 基于理想傳輸線的S參數(shù)仿真結果

　　從圖2的仿真結果可以看出，其三個端口在2.45 GHz 和 5.8 GHz 兩個頻段上都滿足理想的匹配，同時端口2和端口3之間在這兩個頻段滿足理想的隔離。另外從傳輸參數(shù) S(2,1)可以看出，其在兩個頻段的功率分配達到了-3dB的理想功率分配特性。值得提出的是在3 GHz 到 5 GHz 之間端口1的匹配參數(shù)S(1,1)在-5dB和0dB之間，意味著該頻段的信號能在端口1被理想地反射，不會在端口2和端口3 大量輸出，達到實用的濾波效果。因此根據(jù)理想傳輸線的嚴格仿真，驗證了該雙頻功率分配器的正確性。

　　4 基于幾何模型的Sonnet全波電磁仿真

　　為了在全波電磁仿真方面驗證該功率分配器的正確性。采用傳輸線理論模型和實際物理參數(shù)模型的轉(zhuǎn)化工具(AWR-MWO中的txline)，考慮基板材料Rogers RO3003，其介電常數(shù)為3，損耗余弦角為0.0013，基板厚為1.2 毫米。從而得出最終的物理尺寸。其被列在了表1中：

　　表1 功率分配器中傳輸線的實際物理參數(shù)值

　　特性阻抗值(歐姆)(寬度，長度)

　　(毫米)

　　16.61(12.9899, 10.9848)

　　46.10(3.41613, 11.5689)

　　48.82(3.13038, 11.6087)

　　50(Ports)(3.01664,*)

　　最后通過Sonne的幾何編輯工具，可以畫出如圖3的平面結構圖。該結構和圖1中的模型一樣是對稱的。為了顯示立體參數(shù)，圖4給出了相應的三維立體圖。

　　圖3 實際雙頻功率分配器的平面顯示圖

　　圖4 實際雙頻功率分配器的立體幾何顯示圖

　　圖5 采用SONNET進行電磁仿真的S參數(shù)結果圖

　　圖6 功率分配器在2.36 GHz和5.8 GHz的電流分布圖

　　從圖5的電磁仿真結果圖可看到，其兩個工作的頻點有著一定的偏移，第一個頻點從設計值2.45 GHz偏移到2.32GHz，第二個頻點從5.8 GHz 偏移到 5.42GHz.該偏移能提前預測出來是電磁仿真工具必要性很好的證明。另外，傳輸參數(shù)S21和理想值-3dB相比減少了0.2dB左右，這個可以用基板的損耗來解釋。圖6顯示了該功率分配器在頻率為2.36 GHz和5.8 GHz時的電流密度分布。可以看到端口1的信號能順利地分開到端口2和端口3?？偟膩碚f，采用電磁全波仿真結果和理想模型參數(shù)的結果存在一定的差異。這種差異是客觀存在的，只有通過進一步對傳輸線長度和寬度的適當調(diào)整才能得到最理想的電磁仿真結果，只有得到了最精確最理想的電磁仿真結果，才能進一步制作實物，要不然其最終的產(chǎn)品不能滿足系統(tǒng)的要求。不過可以從仿真結果看出，在稍微的電路結構調(diào)整以及修正頻率偏移之后，本文的電路結構能有效滿足ISM雙頻應用的設計。

　　5 結論

　　本文采用理想傳輸線作為分析的模型，提出了采用添加傳輸線枝節(jié)的方法來設計出同時滿足ISM兩個射頻段的功率分配器。通過AWR-MWO理想傳輸線的仿真驗證了最終設計參數(shù)的正確性，通過SONNET全波電磁仿真驗證了該功率分配器基本概念的正確性以及采用實際傳輸線所引起的頻率偏移等特點。從本文的設計和仿真中看出，AWR-MWO和SONNET對平面電路的設計有著積極的輔助驗證和提前預測性能的能力。本文下一步的工作就是調(diào)整該功率分配器的尺寸，得到最能滿足ISM雙頻段的功率分配器最優(yōu)結果，最后制作出實物來測試并進行商用。