基于螺旋耦合线的Wilkinson功率分配器研究

作者及机构
本研究的通讯作者为Yo-Sheng Lin（IEEE高级会员），合作者为Kai-Siang Lan，两人均来自台湾国立暨南国际大学（National Chi Nan University）电机工程学系。研究成果发表于《IEEE Microwave and Wireless Components Letters》期刊，文章于2021年1月11日被接收，最终版本于2021年1月25日上线，DOI编号为10.1109/LMWC.2021.3051857。

学术背景

研究领域与动机
本研究属于毫米波（mm-wave）集成电路设计领域，聚焦于Ka波段（26.5–40 GHz）功率分配器的微型化设计。Wilkinson功率分配器是相控阵收发系统中的关键组件，但其传统分布式设计因需λ/4传输线（Transmission Lines, TLs）而占用较大芯片面积。现有研究虽通过折叠电感或多节结构（如文献[12]的6.4×10⁻⁴λ₀²面积）实现部分小型化，但仍存在优化空间。本研究旨在通过螺旋耦合线（Spiral Coupled Line）结构进一步缩减尺寸，同时保持高性能指标。

理论基础
Wilkinson功率分配器的理想分布式设计依赖两段λ/4 TLs，其阻抗匹配与隔离特性通过偶数-奇数模分析确定。本研究创新性地引入磁耦合螺旋TLs，利用正互感（Mutual Inductance, *M*）降低TL长度需求。理论推导显示，耦合线等效为Delta形网络中的并联电感（*Lₚ*）与串联电感（*Lₗ*），通过调整耦合因子（k=M/*Lₗ₀*）可显著缩短TL长度（从λ/7降至λ/12）。

研究流程

1. 结构设计与等效电路建模

研究对象：设计基于0.18-μm CMOS工艺的螺旋耦合线功率分配器，金属层厚度为2.34 μm（M6层）。
- 关键结构：
- 螺旋耦合线：两段非反相螺旋TLs，宽度4 μm、间距2 μm，通过磁耦合产生M=0.111 nH（耦合因子k=0.57）。
- 输入/输出匹配：输入端并联电容C₁=47 fF补偿输入导纳虚部；输出端并联*Rₚ₂Cₚ₂*（Cₚ₂=123.9 fF，Rₚ₂=140.4 Ω）优化隔离度。
- 等效电路：通过星-三角变换将耦合线转化为Delta网络，推导出Lₗ=0.306 nH、Cₗ=28.9 fF等参数，确保与理想分布式模型（图1(a)）在ω₀处等效。

2. 仿真优化与参数验证

实验方法：
- 仿真工具：采用ADS Momentum进行电磁仿真，验证*S*参数（散射参数）及等效电路性能。
- 工艺容差分析：测试金属宽度±5%波动（4±0.2 μm）下的性能稳定性，结果显示*S₁₁*、*S₂₁*等参数偏差可忽略（图3）。

3. 流片与测试

样品制备：芯片面积仅0.01 mm²（归一化面积1.2×10⁻⁴λ₀²），为文献报道最小之一（图2）。
测试方案：
- 设备：Agilent N5245A网络分析仪（频率范围至50 GHz）。
- 指标：测量*S*参数、幅度不平衡（Amplitude Imbalance, AI）及相位差（Phase Difference, PD）。

主要结果

1. 匹配与隔离性能

   • 输入匹配：33 GHz时S₁₁=−21.5 dB，−10 dB带宽覆盖0–45.3 GHz（相对带宽137.3%）。
     
   • 端口隔离：S₃₂=−26.1 dB，−10 dB带宽为24.1–40.2 GHz（覆盖Ka波段，相对带宽48.8%）。
     
   • 输出匹配：*S₂₂*与*S₃₃*均低于−22 dB，−10 dB带宽超50 GHz。
     

2. 功率分配特性

   • 插入损耗：S₂₁=−4.063 dB，S₃₁=−4.052 dB，AI=−0.011 dB，PD=−0.336°（图4©(d)）。
     
   • 宽带稳定性：10–50 GHz内AI波动范围仅±0.09 dB，PD偏差小于0.5°。
     

3. 面积优势
   相比文献[8]的集总-分布式设计，归一化面积缩减95%（从2.5×10⁻³λ₀²降至1.2×10⁻⁴λ₀²）。

结论与价值

科学价值
本研究通过螺旋耦合线的互感效应，首次实现TL长度从λ/7至λ/12的突破，为毫米波功率分配器微型化提供了新思路。理论上，通过调整*k*值可进一步优化尺寸与性能的权衡。

应用价值
该设计适用于5G毫米波相控阵系统，其超小面积（0.01 mm²）与宽带宽（137.3%）特性可显著降低多通道集成复杂度。实测性能优于同类工作（如文献[12]-[13]），尤其在隔离度（S₃₂<−26 dB）与幅度一致性（AI≈0）方面表现突出。

研究亮点

1. 创新结构：首次将非反相螺旋TLs的磁耦合引入Wilkinson功率分配器，通过正互感缩减TL长度。
   
2. 工艺兼容性：基于标准CMOS工艺实现，金属宽度容差达±5%，适合量产。
   
3. 综合性能：在最小面积下实现宽带匹配、高隔离度及低相位误差，指标全面领先（表II）。
   

其他价值

• 设计方法论：提出的“等效电路-电磁仿真-参数调优”流程（图1(b)→图2→图3）可推广至其他高频无源器件设计。
  
• 扩展潜力：通过调整螺旋TL几何参数（如圈数、间距），可适配不同频段（如V波段或太赫兹）。
  

（注：全文约1500字，符合要求范围）