第四章 分析在 CMOS 上的威爾金森功率分配器
4.2 分析一對多威爾金森功率分配器
在參考文獻[3]中，設計了一對二、一對四的威爾金森功率分配 器在 CMOS 上，圖 4-1 為一對多威爾金森功率分配器的示意圖，而 圖 4-2、4-3 分別表示一對二、一對四威爾金森功率分配器的結構圖。
圖 4-1 一對多威爾金森功率分配器示意圖
圖 4-2 文獻[3]一對四結構圖
圖 4-3 文獻[3]一對二結構圖
從圖 4-2、4-3 可以看出，文獻[3]設計的走線方法是繞一個 螺旋狀再到中間接隔離電阻然後再輸出，而一對二和一對四的威爾金 森功率分配器，其差異點是一對二約等於一對四對折後的結構。圖 4-4、4-5 分別為一對二和一對四的 S 參數實作模擬圖。
圖 4-4 文獻[3]一對二 S 參數
圖 4-5 文獻[3]一對四 S 參數
4.3 分析在 CMOS 上的威爾金森功率分配器
文獻[4]提出了一個以 CCS 傳輸線設計的威爾金森功率分配器，
CCS 即是在接地面埋入槽孔，使接地面成破碎狀，這麼一來可使彎折 在上面的訊號線的阻抗值幾乎和沒有彎折時相同。除此之外，這個結 構是對稱的，因此可確保其 S21 和 S12 完全相同。圖 4-6 是此設計的 結購圖，圖 4-7 是此結構的單位結構圖，圖 4-8 是其 S 參數曲線。
圖 4-6 文獻[4]結構圖
圖 4-7 文獻[4]單位結構圖
圖 4-8 文獻[4]S 參數
第五章
設計在 CMOS 上的一對三威爾金森功率分配器
5.1 概述
在分析完一般的威爾金森功率分配器以及 CMOS 結構的威爾金 森分配器之後，在本章將利用前述觀念，設計一個 CMOS 一對三威 爾金森功率分配器操作在 24 GHz，並使用 HFSS 模擬軟體進行模擬。
5.2 結構設計與模擬結果
首先，根據圖 2-1，相關參數 Z0= 50 Ω，Z1= 3 Z0= 86.6Ω，另 外參照圖 4-1 設計結構。
圖 5-1 本篇設計結構圖[1]
400 um
200 um P1
P2
P3
P4
圖 5-2 本篇設計結構圖[2]
圖 5-3 本篇設計結構圖[3]
4 um 50 um
12 um
2 um
R1
R3
166 um
R2
圖 5-4 本篇設計結構圖[4]
h1 h2 h3 h4 M5 M6 Mgap
長度 (um)
482.6 0.9 10.15 2 1.45 2 0.9
表 5-1 本篇設計尺寸表格
上面 5 張圖表即是本設計的結構及尺寸，對於中間傳輸線 Z1 的阻抗值，原本用 AppCAD 粗略估算 86.6 Ω 大約是 3.2um，但在 彎折之後發現阻抗值下降，故再將線寬調細，使阻抗值上升。
pass
圖 5-5 本篇設計 S 參數模擬圖
圖 5-5 為本篇設計模擬的 S 參數。由圖可知，其 S11、S22、S33、
S44 諧振頻率約在 25 GHz，且皆高於 10 dB。而 S12、S13 約為 6 dB，
還在可接受的範圍，S23 及 S34 可看出有不錯的隔離度。至於 S33 的 曲線和 S22、S44 不一致的原因，大概是因為此為一對三結構，無法 做到對稱所造成的差異。
此結構的尺寸小，特性也還不錯，大約在 15 GHz – 30 GHz 皆可 使用。
第六章
改良設計的威爾金森功率分配器
6.1 概述
利用第三章提及的概念，針對上一章的設計進行改良成雙頻結 構。如此一來，不但能增加其價值，更突破了前面提到兩篇設計在
CMOS 上的文獻。
以下兩種改良設計，不包括使用並聯殘支的方法，因為根據計算 發現，使用並聯殘支的設計方法將使得體積過大且傳輸線間的耦合量 過於嚴重，不符合基本理念，故只使用多層結構及多節組合。
6.2 改良後結構與模擬結果
得 R1=R2=R3= 45.05 Ω，R4=R5=R6= 140.15 Ω。本改良設計已經修改了相當多次，但從圖 6-2 的 S 參數可看
圖 6-2 雙頻改良結構 S 參數[1]
6.2.2 多節組合式
圖 6-3 為多節組合式的改良圖，所有尺寸和圖 6-1 類似，第 二段傳輸線寬度為 3 um 以及整體尺寸為 250 x 500 um。
本改良設計已經修改了相當多次，但從圖 6-4 的 S 參數可看 到，此結構仍然沒有雙頻的特性出現，很明顯的也改良失敗。
圖 6-3 雙頻改良結構[2]
圖 6-4 雙頻改良結構 S 參數[2]
250 um 70 um
3 um 2 um
4 um
500 um
6.3 問題與討論
關於上面的兩個改良設計，主要的問題大概就是為何沒有雙頻的 現象產生？
關於這點，大致上有三個可能。
1. 模擬的頻段不夠寬，因此沒有看到第二個諧振點。但這個因素並 不太可能是主要原因，因為模擬已從 10 GHz -40 GHz ，加上計算所 採用的兩個諧振頻率分別在 22 GHz 和 26 GHz，所以不太可能。
2. 設計的結構在 CMOS 上不合適。這點我覺得也不太可能，因為在 這個 CMOS 的設計上，唯一差別只在將微帶線作彎折，這會讓整體 阻抗值變小，但我已將寬度調細使其阻抗值上升，約等於沒有彎折時 的阻抗值，因此這個因素理論上並不會造成太大的差異。
3. 計算的方法在一對三的威爾金森功率分配器上並不適用。我認為 這是較有可能的因素，因為計算上一對二和一對三可能有些許差異，
而這所造成的誤差，導致沒有雙頻的效果是很有可能的。目前尚未搜 尋到一對三雙頻的威爾金森功率分配器結構設計方法，因此這點未來 需要再多花時間進行研究與設計。
第七章
結論與未來展望
綜合以上章節，本篇完成了一個在 CMOS 上的一對三威爾金森 功率分配器且操作在 24 GHz，此結構體積小，可用頻帶寬，有不錯 的隔離度。
另外本篇試著將設計改良成雙頻，雖然沒有成功，但也找出了幾 個可能的原因，未來將可以朝著雙頻的結構繼續研究與設計，尤其只 要將計算的方法加以改進並模擬設計，應該可以解決無法設計出雙頻 結構的問題。
參考文獻
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TECHNIQUES, VOL. 54, NO. 1, JANUARY 2006,pp.278-284 2. Myun-Joo Park and Byungje Lee, “A Dual-Band Wilkinson
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Ka-Band CMOS Wilkinson Power Divider Using Synthetic Quasi-TEM Transmission Lines,” IEEE MICROWAVE AND WIRELESS COMPONENTS LETTERS, VOL. 17, NO. 12, DECEMBER 2007,pp.837-839
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6. Kwok-Keung M. Cheng, and Fai-Leung Wong, “A New
Wilkinson Power Divider Design for Dual Band Application,”
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7. George E. Ponchak, Andrew Bacon, and John Papapolymerou,
“Monolithic Wilkinson Power Divider on CMOS Grade Silicon With a Polyimide Interface Layer for Antenna Distribution
Networks,” IEEE ANTENNAS AND WIRELESS PROPAGATION LETTERS, VOL. 2, 2003,pp.167-169
8. David M. Pozar, MICROWAVE ENGINEERING, 2nd ed. NEW YORK:Wiley,1998.