一种基于低温共烧陶瓷技术的一分二功率分配器设计方法

胡雨婷 侯明 李小珍 徐开心 张杨

基金项目：国家自然科学基金（批准号：61864004）资助的课题。

作者简介：胡雨婷（1997-），硕士研究生，从事射频无源器件的研究。

通讯作者：侯明（1984-），副教授，从事射频与微波电路的研究，275559643@qq.com。

引用本文：胡雨婷，侯明，李小珍，等.一种基于低温共烧陶瓷技术的一分二功率分配器设计方法［J］.化工自动化及仪表，2024，51（2）：192-198；364.

DOI：10.20030/j.cnki.1000-3932.202402007

摘 要 从小型化的要求出发，提出一种一分二等分功率分配器设计方法。以Wilkinson功率分配器结构为基础，将传统功率分配器中的直线型传输线改为螺旋线型传输线。采用低温共烧陶瓷（LTCC）技术进行小型化功率分配器设计，建模时利用立体叠层结构对功率分配器内部的传输线进行布局，内部不同金属层之间使用垂直通孔连接，使得该功率分配器尺寸与传统平面结构功率分配器相比大幅减小。在HFSS软件中完成三维模型建立与电磁仿真，并对设计完成的功率分配器进行加工测试，最终得到该功率分配器回波损耗优于19 dB，插入损耗优于3.5 dB，中心频率2.8 GHz处隔离度优于35 dB，具有较好的隔离度，满足一分二等分功率分配器的性能要求，并且LTCC功率分配器尺寸仅3.18 mm×1.58 mm×0.911 mm。

关键词 一分二等分功率分配器 LTCC 螺旋线结构 回波损耗 插入损耗 中心频率 隔离度

中图分类号 TN510   文献标志码 A   文章编号 1000-3932（2024）02-0192-08

功率分配器（Power Divider）简称功分器，是射频领域的重要无源器件，被广泛应用于射频前端中。功分器的主要功能是实现平衡到非平衡的输出，将一路输入信号按比例分配为多路互不干扰的输出信号。目前，使用较多的功分器类型有Wilkinson功分器、Bagley多边形功分器（BPD）［1～3］及Gysel功分器等。在现代无线通信系统中，通常需要较大输出功率的发射机［4］，为实现高功率输出信号，功分器经常和功率放大器、合成器组合使用［5］。随着现代无线通信技术的不断发展，对于射频无源器件的小型化有了更高的要求，近年来各国学者对功分器的研究主要围绕着小型化展开。低温共烧陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC）工艺因其稳定性高、可靠性高等优点，逐渐被用于无源器件的制作［6］，以更好地实现小型化。20世纪60年代提出的Wilkinson功分器为功分器研究的飞速发展奠定了基础。文献［7］利用渐变线结构实现多节Wilkinson功分器的级联，提高了带宽；文献［8～11］基于传统Wilkinson功分器结构，对其阻抗变换部分做出调整，达到了增加功分器带宽、改善隔离度的目的。

目前的功分器设计大都基于PCB印刷电路，电子元件或传输线的排列均为平面布局。对于分布式功分器而言，传输线的尺寸受工作频率的影响通常难以改变，导致功分器平面电路尺寸较大。随着制作工艺的发展，LTCC技术开始被应用于无源器件的设计与制作［12］，即可充分利用LTCC工艺特点进行立体叠层结构设计，进一步实现Wilkinson功分器的小型化。我国学者傅显惠等基于LTCC技术采用翻折功分器主线路，设计出一款超宽带小型化功分器，该功分器设计并未改变传输线形状，仍采用平面结构设计电路，虽未充分利用LTCC技术特点对传输线进行立体叠层结构设计，但其尺寸与传统方式设计的功分器相比仍然减小了30%［13］。

笔者基于LTCC技术设计了一款Wilkinson宽带功分器，利用HFSS软件进行建模与仿真，将直线型传输线改为螺旋线结构，加入接地调节板。利用螺旋线绕线次数多、线宽窄的特点进行宽带功分器设计，以期实现小型化、高性能的要求。

1 功分器简介

功分器实现平衡到非平衡的输出，将一路输入信号按比例分配为多路互不干扰的输出信号，其原理如图1a所示，其中α为功率倍数。现代无线通信系统中功分器与功率放大器和合成器的组合使用［5］如图1b所示。

图1 功分器的工作原理与常见功放合成器结构

2 Wilkinson功分器基本理论

2.1 Wilkinson功分器工作原理

目前使用較多且性能较好的功分器是Wilkinson，单节Wilkinson功分器结构如图2所示，由两条四分之一波长（？姿/4）传输线及隔离电阻R组成［14］。信号由port1输入，经过分配后由port2、port3输出，输出信号功率按比例分配。功分器两分支线特性阻抗分别为Z、Z，本设计的Wilkinson功分器为一分二等分功分器，上下对称结构，因此有Z=Z。

图2 单节Wilkinson功分器

对于一分二等分功分器进行分析，假设传输线特性阻抗为Z，Wilkinson功分器等效电路如图3所示［15］。

图3 Wilkinson功分器等效电路

令图3中两个输出端口的功率分别为P、P，则输出功率比k的计算式为：

k=（1）

设图2中port2、port3的电压为U、U，则等分功分器存在U=U的关系，且两输出端口间的输出功率与电压存在关系P=，将此关系代入式（1），得到：

=k（2）

Z=kZ（3）

其中，Z、Z分别为port2、port3端口的输入阻抗。

如果有：

Z=kZ

Z=（4）

则要使端口1匹配，存在：

=+

=+（5）

=k（6）

因此可得：

=（k+1）+（k+1）（7）

Z=Z

Z=Z（8）

要保证功分器的隔离性需要：

R=kZ+（9）

对于等分功分器，k=1，因此可以得到等分功分器中：

Z=Z=Z

Z=Z=Z

R=2Z

2.2 功分器常用技术指标

频率范围及中心频率f。频率范围是各种射频、微波、毫米波器件电路的工作前提。中心频率f为上下限频率的中间平均值，即f=（f+f）/2。

工作带宽。工作带宽主要分为两种：一是绝对带宽BW，是功分器上限频率f与下限频率f之差；另一种是相对带宽BW，为功分器绝对带宽与中心频率的百分比。

插入损耗（IL）。在实际工作条件下，功分器信号进行传输时产生的损耗，通常用参数S、S表示，单位为分贝dB。

回波损耗（RL）。端口输入信号功率与反射回该端口信号功率的比值，在仿真测试时，一般用参数S11、S22、S33描述各端口的回波损耗。

隔离度。功分器的隔离度用于表示输出端口间互不干扰的程度，隔离度越高功分器性能越好，一般用参数S23描述隔离度。

3 Wilkinson功分器设计

3.1 功分器平面结构

以Wilkinson功分器相关理论为基础，利用ADS软件进行平面功分器电路设计。根据设计指标，希望得到中心频率在2.8 GHz、隔离度优于

20 dB的一分二等分Wilkinson功分器。

图4所示是分布式Wilkinson功分器结构示意图，可知此功分器由两条四分之一波长传输线作为阻抗转换器，进行阻抗匹配。

图4 分布式一分二Wilkinson功分器示意图

在进行功分器电路设计时，先经过分析确定：

Z=50 Ω

Z=Z=70.7 Ω

f=2.8 GHz

并选择微带线作为传输线，再利用ADS软件中的LineCalc工具可得出功分器中各部分传输线的尺寸，确定功分器原理图。

微带线的尺寸受工作频率影响通常是固定的，如直接依据图4所示结构制作得到的功分器体積较大且不符合实际制作情况。一般在设计功分器平面电路时，考虑到器件实际制作时的不确定因素，通常不会使用直线型微带线，会对其进行翻折处理，并加入切角，以保证其性能稳定，便于加工。图5所示是实际加工时选取的结构，依据此形状在ADS软件中进行一分二等分Wilkinson功分器电路原理图绘制。图5中1处为信号输入端口，2、3处为信号功率分配后输出端口，a、b点之间外接隔离电阻，同时还要保证2、3端口之间有较好的隔离度。

图5 一分二Wilkinson功分器平面形状

3.2 功分器电路设计及仿真

利用ADS软件进行平面功分器电路原理图绘制及仿真。依据表1设计指标，利用ADS软件中的LineCalc工具确定图4所示结构中各微带线尺寸，并使用100 Ω电阻作为隔离电阻。依据图5提出的功分器形状对微带线进行翻折，添加切角。由于对平面电路形状做出了改动，需要对各部分微带线长度进行小范围调整及优化。

表1 Wilkinson功分器设计指标

Wilkinson功分器电路原理如图6所示，使用ADS进行电路原理图绘制时，在各转角处需要添加相应元件。图6中，L=19.556 mm，L=L=

4.568 mm，L=L9=9.6072 mm，L=L=3.168 mm，L=

L=9.580 mm，L6=L12=4.368 mm，L=L=10.9092 mm，图中的MTEE_ADS和MSOBND_MDS为ADS软件中的切角元件。

现对Wilkinson功分器电路原理进行仿真，其仿真结果如图7所示。仿真后可得其中心频率f=2.8 GHz处，隔离度S为-25.9 dB，工作频率范围内，最大隔离度可达-39 dB，回波损耗S优于

-24 dB，插入损耗S优于-3 dB，具有较好的隔离度。通过观察图7b中的S、S仿真结果可以发现两条曲线基本重合，表明其输出端口一致性较好，此功分器符合设计指标且留有一定余量供实际加工制作。

图7 Wilkinson功分器原理图仿真结果

由图6中各微带线的尺寸可知，虽然绘制时对微带线进行了翻折，但是其尺寸仍然较大，仅端口1处连接的输入微带线长度即达到19 mm。但在此平面功分器基础上改变微带线尺寸会影响其性能，当改变图5中L的大小时，功分器中心频率发生偏移，工作带宽也随之改变。如图8所示，为L取不同值时S的仿真结果，其中图5中的L为9.607 2 mm。

图8 L对S11参数的影响

若在此结构上尝试通过减小微带线长度达到减小功分器尺寸的目的，那么由仿真结果可知，改变微带线尺寸易造成仿真结果不符合设计指标，既不能大幅减小器件尺寸又增加了工作量。因此，在三维建模时可以对其进行进一步改进，利用LTCC工艺可以分层印刷的特点，将输出端口连接线放置于输入端口连接线和四分之一波长传输线下层，形成立体叠层结构。同时，将传输线由传统直线型改为螺旋线型，达到减小功分器尺寸的同时保证性能的目的。

4 LTCC功分器的设计与实现

根据设计指标，在HFSS软件中对中心频率为2.8 GHz的功分器进行三维建模，并对建立的模型进行电磁场仿真，验证其性能。

为了符合无线通信系统小型化的要求，在进行建模时，采用LTCC技术封装器件，接地基板选取Rogers4350，基板厚度仅0.508 mm，基板中加入垂直通孔用于连接LTCC器件，并选取100 Ω贴片电阻作为隔离电阻并将其外接在基板上，以减小功分器体积。

4.1 LTCC技术简述

LTCC技术使用低温烧结的方法将陶瓷粉制成生瓷带，具有厚度精确、瓷带紧致的特点。采用LTCC技术设计无源器件时，可以将所有无源元件埋入几毫米的空间，一次性加工完成，制作的无源器件具有体积小、可靠性高等优势［16］。LTCC工艺还具有可进行多层连接、提升电子元件密度、陶瓷材料品质因数高等优点。

4.2 模型的建立与仿真

在HFSS软件中建立功分器三维模型，并进行电磁仿真，利用其仿真结果验证模型的可应用性。在构建模型时，将传统直线型带状线改为螺旋型带状线，增大了传输线间的耦合，同时达到减小体积的目的。基于LTCC技术采用立体叠层结构进行带状线和接地调节板布局，其不同金属层间利用垂直通孔连接。如图9a所示，设置了6个侧边电极连接输入、输出端口及接地调节板，便于灵活调整器件结构和进行测试。

图9 一分二Wilkinson功分器剖面图

如图9b所示，笔者设计的基于LTCC技术的Wilkinson一分二功分器共4层，其中Layer1、Layer4为接地调节板，均通过GND侧边电极接地；Layer2、Layer3为带状线，两金属层间加入了垂直通孔连接。由于采用螺旋线型传输线，绕线次数增加，传输线间耦合增强，不需添加切角进行调节，可以通过改变接地调节板与带状线的间距改变阻抗，以调整端口匹配程度。

最终整体LTCC功分器三维模型如图10所示，隔离电阻选取100 Ω的贴片电阻置于连接两输出端口的侧边电极间。

图10 一分二Wilkinson功分器三维模型

模型布局设计完成后，通过对各元件位置的不断细小调整，得到的电磁仿真结果如图11所示。此功分器工作频率范围2.5～3.1 GHz，回波损耗优于22 dB，插入损耗优于3.5 dB，中心频率

2.8 GHz处隔离度达到-37 dB，带宽范围内隔离度优于20 dB。观察图11b可以发现S、S的仿真结果曲线基本重合，此功分器除具有较好的隔离度外，输出端口还具备较好的一致性，符合设计指标且留有余量，可应用于实际制作。

图11 Wilkinson功分器电磁仿真结果

4.3 实物与测试结果

对此功分器进行加工测试，实物如图12所示，该器件體积仅3.18 mm×1.58 mm×0.911 mm。

图12 一分Wilkinson二功分器

测试范围0.1～4 GHz，测试结果如图13所示，可以看出，功分器工作范围内回波损耗S优于

19 dB，插入损耗S小于3.5 dB，端口隔离度优于20 dB，中心频率2.8 GHz处隔离度优于35 dB，性能较好，符合设计指标。证实基于LTCC技术和立体叠层结构设计的三维立体功分器与传统平面结构的功分器相比体积小，稳定性高。

图13 Wilkinson功分器实测结果

5 结束语

笔者设计的一分二Wilkinson功分器基于LTCC技术，对传统直线型传输线做出改进。在HFSS软件中进行了建模与仿真，并对实物进行加工与测试，测试结果较好。最终得到的功分器具有21%的相对带宽，端口隔离度优于20 dB，带宽范围内回波损耗S优于19 dB，插入损耗S小于3.5 dB，具有较好的性能，符合设计指标。通过改变传输线形状，使用贴片电阻大幅减小了体积，电路结构简单，隔离度较好，器件尺寸较小，与传统平面结构的功分器相比有大幅度改进。

后续研究方向是便于与其他器件进行级联，顺应无源器件设计小型化、集成化的发展趋势。

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（收稿日期：2023-03-21，修回日期：2023-04-13）

Design of 2way Power Divider Based on LTCC Technology

HU Yuting1， HOU Ming1， LI Xiaozhen2， XU Kaixin1， ZHANG Yang1

（1.Faculty of Information Engineering and Automation， Kunming University of Science and Technology；

2. School of Information Engineering， Kunming University）

Abstract   Considering requirement of the minimization， design of miniaturized 2way power divider was proposed， which has Wilkinson power divider structure based to replace the conventional linear transmission line with a spiral line transmission line， including having LTCC（low temperature cofired ceramic） technology adopted to miniaturize the power divider design. In the modeling， a 3D stacked structure was used to lay out the transmission lines inside the power divider， and the vertical throughhole were used to connect different metal layers within the power divider， which greatly reduced the size of the power divider compared with the divider with traditional planar structure. 3D model building and EM simulation done in HFSS software and processing and testing the final designed power divider show that， its return loss（RL） is less than 19 dB， insertion loss（IL） is less than 3.5 dB and the isolation at the center frequency of 2.8 GHz is better than 35 dB. The good isolation can satisfy the performance requirements of the 2way equal division power divider which boasting of the size of 3.18 mm ×1.58 mm ×0.911 mm only.

Key words   2way power divider， LTCC， spiral line structure， RL， IL， center frequency， isolation