033_Splitter之十二：无隔离宽带功分器的另类拓扑

　    EDA365原创 作者：何平华老师

　　Splitter之十二：无隔离宽带功分器的另类拓扑，碎片三分钟，收获一丢丢。

　　本文做为上一篇文章的续篇，优化了无隔离宽带功分器的拓扑结构，成功地将难加工的细线3.358mil线宽改善为易于加工的18.309mil粗线，而且将功率分配纹波从+/-0.5dB改善到+/-0.1dB。

　　岛主写一系列的原创科普文章，是对自己知识体系的一次总结提炼、查缺补漏的过程，甚至能起到纠错的作用，岛主是凡人，经常犯错。

　　写篇文章，总是要拿起纸笔推一推公式，或者点鼠标建模型仿真一下，或者上网查一查相关资料，回炉重造，总会有新的体会。

　　举个例子，单节λ/4阻抗变换器的中间节阻抗Z2与前后节阻抗Z1、Z3之间的三节阻抗是符合等比数列的：

　　Z1/ Z2 = Z2 / Z3

　　推而广之，四节或更多节阻抗应该也符合等比数列吧???

　　错了!

　　参见文章028：多节阻抗之间的电压反射系数要符合切比雪夫分布，才获得最佳指标。

　　无隔离宽带等功分器的另一种拓扑结构

　　在上一篇文章032中仿真了左边的拓扑结构：

　　其实右边的拓扑结构也是无隔离宽带等功分器，性能指标完全一致，有较多优点，只有一个缺点：

　　优点1：只需要一个50欧→25欧多节阻抗变换器，节省面积;

　　优点2：阻抗都在50欧以内，微带线变得更粗，减小了工艺加工难度;

　　优点3：粗微带线损耗更低，间接增大了功率容量;

　　优点4：如果适当牺牲上面两个优点，则可以采用更薄介质的层叠结构，从而减少了物料成本;

　　缺点1：右图的拓扑结构只能适用于等功分;

　　按照文章029和文章032类似的步骤做仿真设计(略)，本文直接给出ADS的完整电路模型和仿真结果：

　　可以看出功率分配比、回波损耗指标都较好。

　　最细的微带线都有43mil。

　　大家有没有注意到，上面的电路图，没有ADS专用的T形节?因为岛主发现增加这个T形节之后，有时候指标变差了。其实ADS只是做为原理性的仿真，指标差不多了，就应该转到HFSS中去做PCB版图仿真——岛主HFSS用得熟练，所以不习惯用ADS仿真版图。

　　这个T形节在PCB上是确定存在的，通过HFSS的电磁仿真来全盘考虑所有的分布参数，包括这个T形节的分布参数。

　　无隔离宽带不等功分的另一种拓扑结构

　　要解决上一篇文章032的遗留问题：等功分比指标出现纹波、3.358mil线宽的高阻抗微带线。

　　高阻抗微带线来源于150欧→50欧的多节宽带阻抗变换器中的第一节。

　　大家肯定会想到，尽量不用150欧这么高的阻抗就可以了。能否只用100欧来做变换，答案是可以的，但是需要串联一个50欧纯电阻。

　　这样一来，P2的功率也减小了1/3。功率分配比就变成了K2 = 2*(100/(100+50)) = 3了。显然不符合原指标功率分配比K2=2的要求。

　　如果在增加串联电阻Rs的同时，再更新多节阻抗变换器的阻抗变换比，是不是可以把这个功率分配比调整过来?

　　于是就有了下面这个拓扑结构：

　　根据指标要求，可以列出两个方程组：

　　T形节的阻抗匹配：Z0 = (Z2e+Rs) // Z2e

　　T形节功率与阻抗呈反比，再用串联电阻分功率的公式，就得到：P3/P2 = K2 = ((Rs+Z2e)/Z2e)2

　　这两个公式看起来似乎简单，但解起来有点复杂。

　　做为工程派，野蛮无罪，偷懒有理，还不如直接用鼠标点几下建个模型，再用优化算法得到方程组的解：

　　设置两个GOAL，其中一个优化T形节阻抗匹配dB(S(1,1))指标在-40dB以内。另一个优化功率分配比指标dB(S(1,3))-dB(S(1,2))在3.00~3.02dB之间。

　　设置等效阻抗Z2e和串联电阻值Rs。

　　优化结果显示在上图VAR控件中。

　　说明需要两个90.9157欧变换到50欧的多节宽带阻抗变换器，可根据《029_野蛮优化多节阶梯阻抗变换器》中的方法优化设计出来，也采用8节。最后得到完整的电路模型(略)。

　　岛主直接画出完整电路模型，偷懒较彻底，午休前设置好参数，人停机不停，CPU算力不浪费，午休后得到如下图所示的优化结果：

　　最细的微带线线宽是18.309mil。串联电阻值33.893欧。

　　再看回波损耗、功率分配比指标：

　　回波损耗指标良好，这么好的回波损耗指标(带宽甚至扩展到接近19GHz)太浪费了，可以试试牺牲一点点，匀点资源到阻抗变换器的节数上?例如减少到7节试试看?(略，有兴趣的同学可以试试看)

　　功率分配比的纹波从+/-0.5dB降为+/-0.1dB。

　　此备用方案有一个缺点，在于串联电阻Rs的功率容量。根据《004_微带线上的RLC最佳封装》中所说的，微带线宽与串联电阻的最佳封装宽度之比约0.8倍时分布参数最接近微带线本身分布参数。那么宽度为18.309mil微带线上串联电阻的最佳封装是0402，功率容量1/16W。

　　总结

　　ü 无隔离的超宽带功分器拓扑结构可以有很多种，具体问题具体分析;

　　ü 射频无源器件的设计，可以牺牲某些不重要的指标，以改善重要指标，在优缺点之间互相转化;

　　ü 经过优化无隔离宽带功分器的拓扑结构，成功地将难加工的细线3.358mil线宽改善为易于加工的18.309mil粗线，而且将功率分配纹波从+/-0.5dB改善到+/-0.1dB。

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　　作者|何平华老师

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