面向5G通信的頻率可重構(gòu)功分器研究

蔣紅梅　閉斌雙

摘 要

基于π型傳輸線可調(diào)結(jié)構(gòu)，研究并分析了一款面向5G通信的小型化頻率可重構(gòu)的等分功分器。該功分器根據(jù)傳輸線特征阻抗和相移的可重構(gòu)技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并利用變?nèi)荻O管可調(diào)諧特性來調(diào)節(jié)頻率，實(shí)現(xiàn)了4.628～6.219 GHz連續(xù)可調(diào)頻率范圍，覆蓋了多個(gè)通信頻段。該功分器具有尺寸小、電路簡(jiǎn)單、工作頻率連續(xù)可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞

變?nèi)荻O管;頻率可重構(gòu);小型化;功分器

中圖分類號(hào)： TN626 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.012

0 引言

隨著人們對(duì)無線通信的需求日益增長(zhǎng)，微波電路在無線通信領(lǐng)域中的應(yīng)用也日益繁多，而微波功率分配器（簡(jiǎn)稱：功分器）是微波電路中的重要組成部分，也是射頻前端的重要器件之一。無線通信系統(tǒng)需要多個(gè)通信頻段來工作，這樣增加系統(tǒng)的復(fù)雜性、增大電路的尺寸和功耗，因此，迫切要求小型化、可調(diào)性的通信設(shè)備來滿足射頻微波技術(shù)領(lǐng)域的需求[1-2]。目前，傳統(tǒng)的單一工作頻率、體積較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的功分器已無法滿足可重構(gòu)陣列天線技術(shù)和5G時(shí)代移動(dòng)通信系統(tǒng)的快速發(fā)展需求。可重構(gòu)功分器因具有復(fù)用性、可調(diào)性以及靈活性等特性，得到越來越多學(xué)者們的重視[3]。

本文研究基于π型結(jié)構(gòu)的頻率可重構(gòu)功分器在5G通信頻段的應(yīng)用，該功分器可調(diào)頻率范圍為4.628～6.219GHz，覆蓋了5.725～5.850GHz的ISM醫(yī)療頻段和4800MHz～ 5000MHz的5G系統(tǒng)的工作頻段。該功分器具有尺寸小、易于集成、電路簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，可以提高頻譜資源的利用率和使通信設(shè)備小型化[4]。

1 π型傳輸線結(jié)構(gòu)原理

目前應(yīng)用廣泛、性能優(yōu)異的功分器多為Wilkinson形式的功分器，其具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，輸出端口之間隔離度良好的優(yōu)點(diǎn)，但傳統(tǒng)的Wilkinson功分器存在工作頻率單一、帶寬有限，并且由于其工作原理，存在尺寸較大的缺點(diǎn)，不利于射頻前端的集成和5G通信系統(tǒng)的小型化、多功能的發(fā)展需求，而可重構(gòu)功分器可以克服以上缺點(diǎn)?？芍貥?gòu)功分器根據(jù)微帶傳輸線的基本特性和傳輸線理論，通過加載可變電容的傳輸線等效電路來實(shí)現(xiàn)特定傳輸線的特征阻抗與相移的可重構(gòu)性。本文采用基于π型結(jié)構(gòu)的傳輸線來實(shí)現(xiàn)工作頻率可重構(gòu)的功分器，在具有相同頻帶特性的基礎(chǔ)上，其電路尺寸較小。

圖1為等效前的原傳輸線和π型結(jié)構(gòu)傳輸線。π型結(jié)構(gòu)的傳輸線是由兩個(gè)并聯(lián)可調(diào)電容和一條串聯(lián)的傳輸線構(gòu)成的電路。同時(shí)調(diào)節(jié)傳輸線兩邊的并聯(lián)電容的電容值可以改變?chǔ)行徒Y(jié)構(gòu)傳輸線的特征阻抗和相移特性，但等效前后的傳輸特性是相同的。根據(jù)傳輸線的奇偶模相關(guān)理論，以及二端口網(wǎng)絡(luò)的級(jí)聯(lián)理論，可得圖1的兩種傳輸線的轉(zhuǎn)移矩陣分別為[5]：

其中，等效前的原傳輸線的導(dǎo)納、特性阻抗和電長(zhǎng)度分別為Y、Z和θ;而等效后π型結(jié)構(gòu)中的微帶傳輸線的導(dǎo)納、特性阻抗和電長(zhǎng)度分別是Y0、Z0和θ0;變?nèi)荻O管的導(dǎo)納為Yc 。通過選擇合適的可變電容、特性阻抗和電長(zhǎng)度，則能改變?cè)瓊鬏斁€的特性阻抗和相移。已知，θ為3dB Wilkinson功分器的λ/4傳輸線的電長(zhǎng)度;Yc=2πf·Cπ;同時(shí)根據(jù)等效前后電路的轉(zhuǎn)移矩陣相等，可得：

其中，π型結(jié)構(gòu)的并聯(lián)可變電容值為Cπ;可重構(gòu)功分器的工作頻率為f。等效前的原傳輸線的特性阻抗為Z=50Ω，由上式（4）可知，當(dāng)電長(zhǎng)度θ確定時(shí)，f與Cπ成反比關(guān)系，即可通過可調(diào)并聯(lián)電容Cπ值來改變工作頻率f，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工作頻率的連續(xù)可調(diào)。

2 仿真分析及研究

本文研究應(yīng)用于5G通信頻段的基于π型結(jié)構(gòu)的頻率可調(diào)功分器。采用ADS2015軟件對(duì)該功分器進(jìn)行仿真分析，基于上述的π型結(jié)構(gòu)原理，將π型結(jié)構(gòu)電路等效替代傳統(tǒng)的等分威爾金森功分器的兩λ/4傳輸支路，π型結(jié)構(gòu)的等分功分器原理圖如圖2所示。其中，變?nèi)荻O管DIODEM1選用SMV2019-079LF型，其可調(diào)電壓范圍為0～20V，對(duì)應(yīng)的電容范圍為0.3～2.22pF，通過調(diào)節(jié)直流反向偏置電壓來改變電容值，為了簡(jiǎn)化電路，所有變?nèi)荻O管都采用相同的反向偏置電壓，即在仿真中，四個(gè)變?nèi)荻O管同時(shí)變化且取值相等，其中，變?nèi)荻O管SMV2019-079 LF等效模型中，主要通過改變Cjo值進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電容的連續(xù)可調(diào)。

該功分器的電長(zhǎng)度設(shè)置為λ/6，選用微波復(fù)合材料F4B -255為介質(zhì)基板，其介電常數(shù)Er=2.55，厚度為H=0.8mm，損耗角正切值TanD=0.003。經(jīng)過參數(shù)的仿真優(yōu)化，最終確定微帶線的參數(shù)值。圖2中，功分器的輸入端的微帶線長(zhǎng)l1=3mm、寬w1=8mm;上下兩對(duì)稱的π型結(jié)構(gòu)中的微帶線長(zhǎng)l2=7.27mm、寬w2=0.2mm;功分器兩輸出端口的微帶線長(zhǎng)l3=16.37mm、寬w1=8mm，隔離電阻R=100Ohm。仿真結(jié)果如圖3所示。相對(duì)于傳統(tǒng)的Wilkinson功分器而言，該功分器版圖面積為24mm ×35mm，其具有尺寸小、成本低的優(yōu)勢(shì)。

圖3中，S32表示輸出端口2、3之間的隔離度，S11表示輸入端口1的回波損耗，參數(shù)S32、S11值越小越好。當(dāng)同時(shí)滿足S32和S11均優(yōu)于20dB時(shí)，電容值的可調(diào)范圍為0.39～ 0.69pF;可調(diào)頻率范圍為4.628～6.219 GHz，可調(diào)的頻率帶寬約為1.59GHz。在可調(diào)頻率范圍內(nèi)，插入損耗S21值低于-4.5dB，與參考文獻(xiàn)[5]比較，說明，隨著頻率的升高，功分器的插入損耗越大，傳輸?shù)男试降汀?/p>

由圖4可知，在整個(gè)調(diào)諧帶寬內(nèi)，在不同的頻率點(diǎn)時(shí)，S參數(shù)的S32、S11和S21值不同，可重構(gòu)頻率范圍的中心頻率值約為5.4GHz，在中心頻率附近時(shí)，S32、S11性能更好，偏離中心頻率時(shí)，S32、S11性能越差。傳輸系數(shù)S21隨著工作頻率的升高而略增大，當(dāng)頻率為4.628GHz時(shí)，傳輸系數(shù)S21為-5dB，當(dāng)頻率為6.219GHz時(shí)，S21為-4.52dB，可見，兩者相差約0.5dB，表明，在整個(gè)調(diào)諧帶寬內(nèi)有約0.5dB的波動(dòng)。由圖5可知，調(diào)諧帶寬內(nèi)，當(dāng)可變電容Cjo增大時(shí)，該功分器的工作頻率下降，進(jìn)而驗(yàn)證π型傳輸線結(jié)構(gòu)原理的結(jié)論：工作頻率與變?nèi)荻O管電容成反比。

3 結(jié)束語

本文采用基于π型傳輸線結(jié)構(gòu)原理來分析面向5G通信的頻率可重構(gòu)的等分功分器，該功分器能夠?qū)崿F(xiàn)工作頻率從4.628～6.219GHz的寬帶可調(diào)，該頻段覆蓋了ISM的醫(yī)療頻段和5G系統(tǒng)的工作頻段，并且，其輸出端口間的隔離度和回波損耗均優(yōu)于20dB。同時(shí)，該功分器具有尺寸小、成本低優(yōu)勢(shì)，具有重要的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]程飛，李承澤，彭飛.工作頻率可調(diào)的微帶功分器[P].中國專利：CN105375093A，2016-03-02.

[2]李巧.雙頻帶與寬帶功率分配器設(shè)計(jì)[D].西安電子科技大學(xué)，2011.

[3]葉秀眺.可重構(gòu)微帶功分器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安電子科技大學(xué)，2018.

[4]趙明.工信部確定5G使用頻段[J].計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)，2017，43（21）：17.

[5]彭焱.5G通信系統(tǒng)中的可重構(gòu)功率分配器研究與設(shè)計(jì)[D].華南理工大學(xué)，2016.