李廷廷，谷德珍，楊曉慶

（四川大學(xué)電子信息學(xué)院，成都 610065）

0 引言

隨著現(xiàn)代無(wú)線通信技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，高功率、大帶寬、低時(shí)延越來(lái)越成為發(fā)展的方向。功分器作為其中必不可少的器件起著重要的作用。wilkinson 功分器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用十分廣泛，但由于隔離電阻位于輸出端口之間，與Gysel 所提出的功分器相比，后者使用負(fù)載接地來(lái)實(shí)現(xiàn)端口間的隔離，具有良好的散熱能力，更適合應(yīng)用于大功率場(chǎng)合。

近年來(lái)，對(duì)Gysel 功分器的研究熱度仍然不減。有從頻點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行研究的，也有考慮其帶寬進(jìn)行研究設(shè)計(jì)的，還有一些是針對(duì)輸出路數(shù)進(jìn)行研究的。這些文獻(xiàn)中都提到Gysel功分器適合應(yīng)用在大功率場(chǎng)合，但都沒(méi)有涉及到其結(jié)構(gòu)具體可應(yīng)用的功率范圍。

本文首先提出了一種新型的雙頻Gysel 功分器結(jié)構(gòu)，然后利用電路理論與傳輸線理論求解出相關(guān)參量。為了驗(yàn)證所提出模型，設(shè)計(jì)了一款工作在2.45 GHz 和5.8 GHz 的大功率懸置帶狀線雙頻功分器，并且通過(guò)改變輸入功率的大小，對(duì)其溫度場(chǎng)與結(jié)構(gòu)場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，得到該功分器可正常工作的大致功率范圍。

1 理論分析

圖1 描述了本文所提出的雙頻Gysel 功分器電路結(jié)構(gòu)圖。與傳統(tǒng)的Gysel 功分器相比，它引入了一個(gè)具有兩個(gè)開路枝節(jié)的П 型結(jié)構(gòu)，其中開路枝節(jié)的特征阻抗和電長(zhǎng)度分別為，。這里定義2、3端口輸出的功率比為=，且=。從基本的電路理論可以得出：

圖1 新型雙頻Gysel功分器結(jié)構(gòu)

當(dāng)端口1激勵(lì)時(shí)，功率按照一定的比例分配到2、3 端口上，此時(shí)，電阻上是沒(méi)有功率損耗的，其等效電路圖如圖2 所示。從ABCD 矩陣的定義式可以得知：

圖2 端口1激勵(lì)時(shí)的等效電路

結(jié)合節(jié)點(diǎn)電壓可以得到：

特征阻抗和電長(zhǎng)度分別為和的傳輸線兩端的電壓和流入的電流之間的關(guān)系可以表示為：

聯(lián)立（4）—（7）求解可以得到：

其中為自由變量，采用相同方法可以得到：1 =2且= 2(-)。

上述公式須在和都成立，所以有：

根據(jù)式（1）可以繪制出特征阻抗與頻率比的關(guān)系曲線，如圖3（a）、圖3（b）所示。

圖3 特征阻抗與頻率比關(guān)系曲線圖

2 設(shè)計(jì)與仿真

本次設(shè)計(jì)選用的是2.45 GHz 和5.8 GHz 兩個(gè)頻點(diǎn)。因?yàn)閼抑脦罹€的功率容量大于普通的微帶線和帶狀線，所以選擇懸置帶狀線作為其傳輸線，支撐介質(zhì)基板材料為F4B，介電常數(shù)為3，導(dǎo)熱系數(shù)約為0.8 W/（m.K）。根據(jù)所推導(dǎo)出來(lái)的公式，可以得到在2.45 GHz 時(shí)的電長(zhǎng)度=53.4°，此 時(shí)== 48 Ω，取= 60 Ω，則= 80 Ω。由于支撐介質(zhì)基板的引入，所以整體結(jié)構(gòu)的等效相對(duì)介電常數(shù)有所改變，最終得到優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)如圖4所示，其中== 4.8 mm，= 3.5 mm，= 1.6 mm，= 14.2 mm，=14.4 mm。

圖4 功分器整體模型

為了評(píng)估出該功分器可以應(yīng)用的功率上限，主要從溫度和形變兩方面進(jìn)行分析。在高輸入功率情況下，傳輸線會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)體損耗，這部分損耗進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為熱量，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生形變影響功分器性能。

除了溫度和形變，還應(yīng)將介質(zhì)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)納入考慮，由文獻(xiàn)［7］可知，空氣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)約為4.56×10V/m，功分器腔體內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)應(yīng)遠(yuǎn)小于這個(gè)值。

當(dāng)輸入功率為30 W 時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)分布與導(dǎo)體表面損耗密度分布分別如圖5、圖6所示。

圖5 腔體內(nèi)電場(chǎng)分布

圖6 導(dǎo)體表面損耗密度分布

可以發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)強(qiáng)度最大為7.68×10V/m，最大損耗密度為2.566×10W/m，積分后可得損耗為0.166 W。

通過(guò)設(shè)置腔體表面換熱系數(shù)和腔體內(nèi)的輻射換熱作為熱邊界條件，可以得到功分器的溫度分布如圖7。設(shè)置好約束條件，可以得到整體結(jié)構(gòu)的形變分布如圖8?？梢园l(fā)現(xiàn)，最高溫度為34.6 ℃，出現(xiàn)在輸入端口附近，形變最大出現(xiàn)在金屬腔體上，為0.002 mm。因?yàn)榍惑w的形變對(duì)功分器的性能幾乎沒(méi)有影響，所以后文就只考慮功分器結(jié)構(gòu)部分出現(xiàn)的最大形變。

圖7 30 W激勵(lì)下的溫度分布

圖8 30 W激勵(lì)下的形變分布

通過(guò)此種耦合方法，可以計(jì)算出不同輸入功率情況下的電場(chǎng)強(qiáng)度、溫度以及形變，如表1所示。

表1 不同輸入功率下的溫度與形變

從表1可以看出，如果功分器工作溫度不超過(guò)85 ℃，其在無(wú)任何外加散熱裝置的前提下可承受的最高輸入功率約為180 W?？赏ㄟ^(guò)此方法近似評(píng)估出功分器的功率應(yīng)用范圍。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上節(jié)中所設(shè)計(jì)的模型，實(shí)物加工后利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)試，實(shí)物圖和得到結(jié)果如圖9所示。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該功分器在兩個(gè)中心頻點(diǎn)處的損耗分別小于0.35 dB 和0.58 dB，回波損耗均小于-19dB，隔離度分別為18dB 和23.8 dB，在2.45 GHz 和5.8 GHz 擁有良好的性能。

圖9 雙頻功分器實(shí)測(cè)與仿真對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種加載П 型結(jié)構(gòu)的雙頻Gysel功分器，并根據(jù)此理論設(shè)計(jì)了一款大功率懸置帶狀線雙頻Gysel 功分器，然后通過(guò)多物理場(chǎng)仿真分析了不同輸入功率下，功分器的最高溫度以及形變。為功分器的實(shí)際可應(yīng)用功率范圍提供了仿真指導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)表明，該功分器在兩個(gè)工作頻點(diǎn)均具有良好的性能。