一分六功分器的設計與實現

于洋

（甘肅長風電子科技有限責任公司，甘肅 蘭州730070）

一分六功分器的設計與實現

于洋

（甘肅長風電子科技有限責任公司，甘肅 蘭州730070）

設計制作了一個ku頻段一分六功分器，進行理論模型計算后，利用仿真軟件進行優化，加工電路板和金屬殼體，使用改進的安裝工藝，最終得到實物，測試其性能，驗證了整個設計與實現過程的可行性。

電磁場與微波；功分器；高隔離度；帶狀線

功分器是一種常見的無源微波器件，在雷達、移動通信、衛星通信、醫療設備和微波測量儀器等領域有廣泛的應用。寬頻器件的工作能力在適用性和通用性上的突出表現，引起人們的關注，并呈現出大量的市場需求。本文根據實際工作中的需求，采用帶狀線傳輸形式和二級威爾金森功分模型，克服一級奇數功分難點，進行理論計算和全波模型仿真優化，實際加工制作，功分器的實測性能為工作帶寬：4GHz，插入損耗：≤10.75dB,隔離度：≥25dB。

1 基本概念

功率分配器是最常見的射頻/微波電路中的無源器件，用于將一路信號均分為多路信號，起著功率平均分配的作用，理論上一個信號輸入經過功分器后平均分成兩路輸出會有3dB的信號衰減。常見的有二功分、三功分、四功分。功分器反向應用就成了合路器。功率分配器的輸出端口之間應保證一定的隔離度。

插入損耗 （分配損耗），功率分配器的直通損耗，為所有路數的輸出功率與輸入功率的比值，或單路的實際損耗減去理想的分配損耗，理想的分配損耗為（dB）=10Log(1/N)。

隔離度，當主路接匹配負載時，各分配之路之間的衰減量比值為隔離度。

電壓駐波比，又稱駐波比，在均勻無耗傳輸線上，電壓U的最大振幅與最小振幅之比，稱作電壓駐波比（VSWR或SWR）。

功率分配器分類：1）N功率分配器 （N=2、3、4……）；

2）等分功率分配器和不等分功率分配器；

3）大功率分配器和小功率分配器。

2 實際需求

功分器的需求指標，具體如下：

頻率不變，按1:6的比例進行功率分配，各輸出端口要相互隔離，各輸入輸出端口要完全匹配。

頻率范圍：f0±2GHz，插入損耗≤11dB,隔離度：≥25dB,帶內平坦度：±0.25dB，駐波比：≤1.7，外形尺寸 （長×寬×高）：63mm×52mm×8mm，接頭形式：SMP-J。外形如圖1，2所示。

圖1 功分器外形圖

圖2 功分器印制板示意圖

2 設計原理

2.1 二功分器原理

簡單的二等分功分器屬于三端121網絡，由于普通的無耗互易三端口網絡不可能達到完全匹配，且輸出端口間無隔離[1]。而在工程實現上對信道之

間的隔離要求很高，一次需采用混合型的功率分配器，即威爾金森型功率分配器。威爾金森的理論主要是在簡單的功率分配器中引入了隔離電阻，從而實現了信號鏈路的匹配和高度隔離。它的原理在引入隔離電阻后，功率分配器變為有功耗的三端口網絡。從三端口網絡的基本性質可知，有功耗的三端口網絡可以做到完全匹配且輸出端口之間具有隔離，從而改善了普通功率分配器的不足。同樣，該類型的功率分配器可以實現任意的功率分配比，且可方便地用微帶線或帶狀線來實現。

二公分的功分器兩路是對稱的，所以功率是平分的。在現有的終端負載一般為50Ω。根據匹配原理，如圖2種的第二級中，隔離電阻R接于輸出端口2、3之間。由于結構對稱，各路信號經過的電長度相同，因此在輸出端口處于相同的電位，此時隔離電阻不消耗任何功率。如果信號由于駐波原因在輸出端口產生反射，另一部分功率發射回輸入端口，并在支線處重新分配傳輸至兩個輸出端口。由于阻抗變換線的長度為1/4波長，則兩路發射信號到達端口時的電長度相差π，所以實現了幅度相等、相位相反、彼此相消，從而實現了各兩輸出端口之間的相互隔離。對于任意分配比的混合型功率分配器，隔離電阻的作用相同。

2.2 三功分器原理

簡單的三等分功率分配器，我們可以先將功率按照1:2不等分，然后再將初次分配后的功率為2/3的一支二等分即可。

3 實現過程

3．1 布局與建模

根據指標要求，查閱文獻[2]，按照往常的設計經驗，用我們選用二級級聯威爾金森功分模式，第一級為一分三功率分配器，第二級為一分二功率分配器，使用rogers5880微波介質基板，上下層介質板厚度均為0.508mm，相對介電常數2.2。為保證各個端口之間的相位一致性，中間端口采用折線結構。整個印制板布局示意圖如圖2所示。

3．2 仿真與設置

采用HFSS電磁全波仿真軟件對建模進行仿真分析。使用集總的激勵方式，最大限度模擬實際情況。金屬層使用模擬銅質材料，金屬化過孔采用金屬性質圓柱，隔離電阻采用矩形方塊，定義集總屬性，介質層設置選用軟件集成的板材參數，電路板外用空氣腔包裹，空氣腔體外壁距離電路板邊緣大于一個波長（取頻率下限波長），空氣腔體外壁使用輻射邊界設置。以中心頻點為基準，離散剖分模型，創建網格，計算參數收斂精度控制在0.02，如圖3所示。

圖3 仿真結果收斂曲線

3．3 制作與組裝

印制板采用4層印制板加工工藝，即下層介質板為雙面板，上層介質板為單面板，兩層板材高溫壓合，這種形式加工精度高，傳輸線在介質中間與介質板緊密連接，降低傳輸損耗。為了方便端口與盒體連接器連接，在端口末端采用帶狀線轉微帶線形式，簡化連接器與印制板組裝。印制板上層介質板局部開窗，用于焊接隔離電阻。最終加工盒體和印制板部分如圖4所示。

圖4 雙層印制板和下層盒體部件實物圖

在調試時，要注意裝配的正確性；重點調試輸入輸出端口的電壓駐波比；注意適當改變輸入輸出端口的阻抗匹配。

4 實驗結果

對成品的測試使用安捷倫公司的矢量網絡分析儀E5071C對耦合器進行了測試。端口駐波比和插入損耗測試結果如圖5、6所示。其他指標見表1。

圖5 端口駐波比測試曲線

圖6 插入損耗測試曲線

表1 功分器測試性能表

從圖5、6和表1中可以看出，實測結果滿足指標要求。

5 結束語

功率分配器由于擁有眾多的優點，具有很好的功率分配性能，愈來愈受到設計人員的重視。隨著研究的深入，功率分配器在微波電子系統領域中展現了廣闊的應用前景。

本文給出了一種根據實際需求，參考相關資料，仿真設計和實現寬頻功分器，并做了實驗驗證。參考文中的設計和實現過程，還可以推廣到類似功分器的設計和實現。

通過上述工作，不但對功率分配器的研究和實現有著積極的意義，也使我對磁場理論和匹配的理論，微波集成電路有了更進一步的認識，為以后的工作和學習打下了良好的基礎。參考文獻：

[1] 清華大學《微帶電路》編寫組．微帶電路[M]．人民郵電出版社,1976．

[2] 甘本祓,吳萬春．現代微波濾波器的結構與設計[M]．科學出版社,1973．

[3] 程敏峰,劉學觀．微帶型Wilkinson功分器設計與實現[J]．現代電子技術，2006，（20）：25-26.

[4] 胡善祥,汪邦金．級聯功分器分配/合成器功分器的優化設計[J]．雷達與對抗，2007,(3):36-40．

[5] 魏峰,史小衛．一種改進型微帶線定向耦合器及其應用[J]．西安電子科技大學學報,2009,36(2):281-284．

[6] 趙晨星．奇等分微帶功分器的仿真設計[J]．電訊技術,2006, 48(7):77-79．

[7] 徐琰,韓淑萍,王俐聰.三種一分三路等功率分配器的性能比較[J]．制導與引信,2012,33(3):41-45．

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