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从S波段到毫米波段的可重构功分器设计研究

高伟男 耿军平 周晗 陈念 王堃 任超凡 苏达 贺冲 梁仙灵 金荣洪

高伟男,耿军平,周晗,等. 从S波段到毫米波段的可重构功分器设计研究[J]. 电波科学学报,2022,37(3):1-11. DOI: 10.12265/j.cjors.2021049
引用本文: 高伟男,耿军平,周晗,等. 从S波段到毫米波段的可重构功分器设计研究[J]. 电波科学学报,2022,37(3):1-11. DOI: 10.12265/j.cjors.2021049
GAO W N, GENG J P, ZHOU H, et al. Design principles of reconfigurable power dividers from S to millimeter waveband[J]. Chinese journal of radio science,2022,37(3):1-11. (in Chinese). DOI: 10.12265/j.cjors.2021049
Citation: GAO W N, GENG J P, ZHOU H, et al. Design principles of reconfigurable power dividers from S to millimeter waveband[J]. Chinese journal of radio science,2022,37(3):1-11. (in Chinese). DOI: 10.12265/j.cjors.2021049

从S波段到毫米波段的可重构功分器设计研究

doi: 10.12265/j.cjors.2021049
基金项目: 国家自然科学基金(61571289)
详细信息
    作者简介:

    高伟男:(1998—),男,内蒙古赤峰人,硕士研究生,主要研究方向为可重构射频电路和天线

    耿军平:(1972—),男,陕西人,副教授,博士生导师,主要研究方向为相模天线、纳米天线、薄壁承载天线、瓦片式毫米波有源集成阵列、广义阵列和阵列信号处理等

    周晗:(1993—),男,安徽人,博士研究生,主要研究方向为有源相控阵天线、超材料、微波器件设计、系统校准与去嵌等

    陈念:(1986—),男,福建人,硕士,工程师,主要研究方向为天线与电路的电磁环境效应

    王堃:(1986—),男,陕西人,博士研究生,主要研究方向为平面微带天线阵列、可重构天线、毫米波天线等

    任超凡:(1995—),男,湖南人,博士研究生,主要研究方向为超宽带天线、低剖面定向与全向天线、低剖面扫描阵列等

    苏达:(1996—),男,河南人,硕士研究生,主要研究方向为天线设计

    贺冲:(1985—),男,湖北人,助理教授,主要研究方向为相控阵天线、波达方向估计、数字波束成形、多址无线通信等

    梁仙灵:(1978—),男,浙江人,副教授,主要研究方向为涡旋电磁波传播及天线设计、时间调制/4D天线阵列及其应用、抗干扰天线和阵列、有源集成天线和阵列、超宽带宽角扫描相控阵等,发表相关学术刊物及会议论文260多篇

    金荣洪:(1963—),男,江苏人,教授、博士生导师,IEEE Fellow,主要研究方向为现代天线技术、电磁计算方法、阵列信号处理、微波集成电路及相控阵天线等

    通讯作者:

    耿军平 E-mail: gengjunp@sjtu.edu.cn

  • 中图分类号: TN817

Design principles of reconfigurable power dividers from S to millimeter waveband

  • 摘要: 为满足毫米波可重构通信系统需要,文中设计了毫米波可重构威尔金森功分器. 首先在S波段设计了基于PIN二极管的可重构功分器电路和原型;然后在此基础上把原理外推到K/Ka频段,通过参数提取方法重点研究PIN二极管寄生参数的影响及其最佳匹配方式;最后设计了K/Ka频段的可重构功分器原型,并进行了仿真和测试. 实测结果表明,K/Ka频段可重构功分器在工作带宽内,双路导通模式下端口1到传输端口(端口2和端口3)的插入损耗小于4.92 dB,传输端口之间的隔离度大于15.8 dB;单路导通模式下插入损耗小于1.65 dB,端口1和隔离端口之间的隔离度大于22.4 dB,实测结果与仿真结果基本一致. 使用场路联合仿真的方法基于PIN二极管设计可重构功分器,在K/Ka频段考虑寄生参数的影响,设计的可重构功分器模型准确、结构简单,适合可重构系统应用.
  • 图  1  可重构威尔金森功分器的电路原理图

    Fig.  1  Circuit configuration of the reconfigurable Wilkinson power divider

    图  2  S波段可重构威尔金森功分器

    Fig.  2  S band reconfigurable Wilkinson power divider

    图  3  S波段可重构威尔金森功分器的测量结果

    Fig.  3  Measured results of the S band reconfigurable Wilkinson power divider

    图  4  PIN二极管的等效电路

    Fig.  4  Equivalent circuit of PIN diode

    图  5  网络匹配式开关1

    Fig.  5  Switch with matching network 1

    图  6  网络匹配式开关2

    Fig.  6  Switch with matching network 2

    图  7  毫米波网络匹配式开关

    Fig.  7  Millimeter-wave switch with matching network

    图  8  毫米波网络匹配式开关仿真结果

    Fig.  8  Simulated results of the millimeter-wave switch with matching network

    图  9  毫米波可重构阻抗变换器

    Fig.  9  Millimeter-wave reconfigurable impedance transformer

    图  10  Z0=50 ΩZL=25 Ω/50 Ω毫米波可重构阻抗变换器仿真结果

    Fig.  10  Simulated results of the millimeter-wave reconfigurable impedance transformer for Z0=50 Ω, ZL=25 Ω/50 Ω

    图  11  毫米波可重构威尔金森功分器

    Fig.  11  Millimeter-wave reconfigurable Wilkinson power divider

    图  12  毫米波可重构威尔金森功分器在两路工作模式下的仿真和测量结果

    Fig.  12  Simulated and measured results of the millimeter-wave reconfigurable Wilkinson power divider working in two-way mode

    图  13  毫米波可重构威尔金森功分器在单路工作模式下端口2传输的仿真和测量结果

    Fig.  13  Simulated and measured results of the millimeter-wave reconfigurable Wilkinson power divider with port 2 transmitting

    图  14  毫米波可重构威尔金森功分器在单路工作模式下端口3传输的仿真和测量结果

    Fig.  14  Simulated and measured results of the millimeter-wave reconfigurable Wilkinson power divider with port 3 transmitting

    表  1  可重构功分器的工作模式

    Tab.  1  Operation modes of the reconfigurable power divider

    工作模式开关状态阻抗变换器状态
    开关1开关2开关3开关4
    双路导通导通导通导通导通25 Ω至50 Ω匹配
    端口2导通导通断开断开-50 Ω至50 Ω匹配
    端口3导通断开导通-断开50 Ω至50 Ω匹配
    下载: 导出CSV

    表  2  毫米波网络匹配式开关的尺寸参数

    Tab.  2  Size parameters of the millimeter-wave switch with matching network

    参数l1l2lflg
    取值/mm1.01.01.51.0
    下载: 导出CSV

    表  3  毫米波可重构阻抗变换器的尺寸参数

    Tab.  3  Size parameters of the millimeter-wave reconfigurable impedance transformer

    参数l3l4l5l6ls1ls2
    取值/mm1.001.500.200.640.751.10
    下载: 导出CSV

    表  4  与其他可重构功分器的比较

    Tab.  4  Comparison with other reconfigurable power dividers

    文献中心频
    点/ GHz
    可重构方式功能隔离度/ dB插入损耗/ dB寄生参数是否可以
    做合路器
    尺寸
    [11]2.37滤波开关单路传输、
    四路等功分传输
    >35单路:0.93
    四路:<1.00
    -0.52 λg×0.20 λg×0.51 λg
    [12]2.50滤波开关单路传输、
    四路等功分传输
    >32单路:1.75
    四路:<1.60
    考虑0.56 λg×0.67 λg
    [14]5.00开关单路传输、双路等功分传输>17单路、双路:<1.35考虑-
    [15]5.00开关、可重构阻抗变换器单路传输、双路等功分传输、三路等功分传输>28.2单路:<1.13双路:<0.93
    三路:<0.74
    考虑-
    [17]12.00可调移相器单路传输、双路等功分传输、双路6:1传输>17-考虑-
    本文26.50开关、可重构阻抗变换器单路传输、双路等功分传输>28.9单路:<1.60
    双路:<1.70
    考虑8.47 λg×6.99 λg
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-03-04
  • 录用日期:  2022-02-14
  • 网络出版日期:  2022-02-14

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