Miniaturized GaN-Based Wilkinson Power Divider for X-Band Communication Systems

Year 2025, Volume: 8 Issue: 1, 432 - 444, 17.01.2025

Burak Dökmetaş , Mert Karahan

https://doi.org/10.47495/okufbed.1499141

Abstract

In this study, an ultra-compact monolithic microwave integrated Wilkinson power divider circuit was designed for X-band applications. Miniaturization technique was utilized to reduce the size of the power divider and the results of the proposed technique was analyzed with simulation software. The proposed Wilkinson power divider was fabricated using gallium nitride (GaN) integrated passive device technology. According to the measurement results, it was seen that the input and output (I/O) reflection coefficients were better than -14 dB in the X band region (8-12 GHz). In the same frequency range, the transmission coefficient was measured above -4.7 dB. In the study, the 10 dB fractional bandwidth was calculated as 47.6%. By applying the 𝜋-type miniaturization technique with monolithic lumped elements, the size of the Wilkinson power divider was reduced to 776 µm x 2240 µm. With the method proposed in this study, the power divider has been made compact in size without occuring any deterioration in its electrical performance.

Keywords

Power dividers, Wilkinson power divider, X-band, Communication, Microwave, RF applications

X-Bant Haberleşme Sistemlerine Yönelik Küçültülmüş GaN Temelli Eşit Bölen Wilkinson Güç Bölücü

Abstract

Bu çalışmada, X-bant uygulamaları için ultra kompakt monolitik mikrodalga entegre Wilkinson güç bölücü devresi tasarlanmıştır. Tasarımın boyutunu küçültmek amacıyla minyatürleştirme tekniği kullanılmış ve önerilen tekniğin verileri simülasyon programı ile analiz edilmiştir. Önerilen Wilkinson güç bölücü, galyum nitrür (GaN) entegre pasif cihaz teknolojisi kullanılarak üretilmiştir. Elde edilen ölçüm sonuçlarına göre X bandında (8-12 GHz), giriş ve çıkış (I/O) yansıma katsayılarının -14 dB’den daha iyi olduğu görülmüştür. Aynı frekans aralığında iletim katsayısı ise -4,7 dB’nin üzerinde ölçülmüştür. Çalışmada 10 dB’lik kesirli bant genişliği %47,6 olarak hesaplanmıştır. Monolitik toplu elemanlar ile 𝜋 tipi minyatürleştirme tekniği uygulanarak Wilkinson güç bölücünün boyutu 776 µm x 2240 µm’ye düşürülmüştür. Bu çalışmada önerilen yöntemle, güç bölücü devresi elektriksel performansında herhangi bir bozulma olmadan boyut olarak kompakt hale getirilmiştir.

Keywords

Güç bölücüler, Wilkinson güç bölücü, X-bant, Haberleşme, Mikrodalga, RF uygulamaları

References

• Arican GO. Design and fabrication of compact Wilkinson power divider on gallium nitride coplanar technology. Niğde Ömer Halisdemir Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi 2023; 12(1): 113-118.
• Arican GO., Sen O., Turhan-Sayan G. A novel miniaturized X‐band coplanar waveguide branch‐line coupler using T‐and 𝜋‐type equivalent transmission lines. International Journal of RF and Microwave Computer‐Aided Engineering 2022; 37(2).
• Arican GO. A compact 2-way multisection power divider for broadband operations. Journal of Scientific Reports-C 2021; 2: 1-10.
• Dökmetaş B. S-bant mikroşerit wilkinson güç bölücü tasarımı. Journal of Scientific Reports-B 2021; 004: 8-18.
• Hettak K., Morin GA., Stubbs MG. Compact MMIC CPW and asymmetric CPS branch-line couplers and Wilkinson dividers using shunt and series stub loading. IEEE Trans. Microw. Theory Tech 2005; 53: 1624-1635.
• Kaixue M., Shouxian L., Yang M., Lim K., Kiat SY. A 60 GHz defected ground power divider using SiGe BiCMOS technology. Proc. Int. SoC Design Conference 2011; 1-4.
• Karahan M., Kurt E., Sahinkaya DS. Design of multisection 1×8 ultra-wideband Wilkinson power divider. USNC-URSI Radio Science Meeting 2014; 99.
• Kość A., Di Maria A., Limbach M., Horn R., Reigber A. A 5 way lumped-elements Wilkinson power divider. 7th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP) 2013; 357-360.
• Kuo CY., Chen AYK., Lee CM., Luo CH. Miniature 60 GHz slow-wave CPW branch-line coupler using 90 nm digital CMOS process. Electron. Letters 2011; 47: 924–925.
• Liang WF., Hong W., Chen JX. A Q-band compact Wilkinson power divider using asymmetrical shunt-stub in 90 nm CMOS technology. Proc. Asia-Pacific Microw. Conf. 2012; 974-976.
• Okan T. A Wideband conductor backed coplanar waveguide fed implantable antenna operable in different tissues for biotelemetry applications. Radioengineering 2023; 30(2): 335-431.
• Wu L., Sun Z., Yilmaz H., Berroth M. A dual-frequency wilkinson power divider. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 2006; 54(1): 278-284.
• Yun Y., Lee KS., Kim CR., Kim KM., Jung JW. Basic RF characteristics of the microstrip line employing periodically perforated ground metal and its application to highly miniaturized on-chip passive components on GaAs MMIC. IEEE Trans. Microw. Theory Tech. 2006; 54(10): 3805–3817.