一種微帶一分八Wilkinson功分器的設計與實現*

程光偉 胡 杰

(西安工業大學電子信息工程學院 西安 710032)

一種微帶一分八Wilkinson功分器的設計與實現*

程光偉 胡 杰

(西安工業大學電子信息工程學院 西安 710032)

通過對傳統Wilkinson功率分配器和四分之一波長阻抗變換線進行分析，研究并設計了一種微帶線Wilkinson一分八功分器。對設計的功率分配器進行ADS和HFSS協同仿真，通過比較仿真和測試結果，兩者基本一致，在15.75GHz～16.25GHz頻率范圍內端口駐波比小于1.4，在16.25GHz～16.75GHz頻率范圍內端口駐波比小于1.4，端口隔離度大于21dB，插損小于0.7dB。

Wilkinson功分器; ADS; HFSS; 隔離度

Class Number TP391.9

1 引言

功分器全稱功率分配器，是一種將一路輸入信號功率分成兩路或多路的等分或不等分功率輸出的一種多端口無源微波網絡，相反它也可以將多路信號進行功率合成。在微波系統中，需要將發射功率按一定的比例分配到發射單元，因此功分器在微波系統中有著廣泛的應用。它的性能好壞直接影響著整個系統的能量分配和合成效率。隨著技術的進步，功分器的研究朝著寬頻帶、小型化、低功耗方向發展。

Wilkinson功分器是一種常見的功率分配器，因其具有良好的幅度相位特性和簡潔的設計，在實際工程中有著廣泛的應用。本文介紹的一分八Wilkinson功分器是在一分二功分器的基礎上通過級聯而成。考慮到各個阻抗變換段的長度和隔離電阻的安裝位置，功分器在四分之一波長阻抗變換段采用“蛇形”布局，使功分器設計更緊湊。在原理推導的基礎上說明其工作方式，緊接著完成了ADS設計及仿真，并使用HFSS進行了三維電磁仿真，根據得到的數據制作了實物，最后使用網絡分析儀進行實測，獲得的結果與仿真數據比較吻合。

2 Wilkinson功分器基本原理

簡單的二等分功分器屬于三端口網絡。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，而工程上對信號的隔離要求很高，所以需要采用混合型的功率分配器，即Wilkinson功分器。Wilkinson功分器的工作原理是在簡單功分器中引入隔離電阻，從而實現了信號鏈路的匹配和高隔離度。引入隔離電阻后，功分器變為有耗的三端口網絡。從三端口網絡的基本性質可知，有耗三端口網絡可以做到完全匹配且輸出端口之間具有隔離，從而改善了普通功分器的不足。同樣，該類型的功分器可以實現任意的功率分配比，且可方便地用微帶線和帶狀線來實現。

圖1 Wilkinson功分器基本結構圖

圖中，Z0是特性阻抗，λg是信號的波導波長，R是隔離電阻。當信號從左端的一號端口輸入時，功率從二號端口和三號端口等功率輸出。如果有必要，輸出功率可按一定比例分配，并保持電壓同相，電阻R上無電流，不吸收功率。若二號端口或三號端口有失配，則反射功率通過分支叉口和電阻兩路到達另一支路的電壓等幅反相而抵消，在此點沒有輸出，從而可保證兩輸出端口有良好的隔離。

考慮一般情況(比例分配輸入功率)，設三號端口P3和二號端口P2的輸出功率比為k2,即

(1)

由于一號端口到二號端口與一號端口到三號端口的線長度相等，故二號端口的電壓U2與三號端口電壓U3相等，即U2=U3。二號端口與三號端口的輸出功率與電壓的關系為

(2)

將式(2)代入式(1)，得

(3)

即

Z2=k2Z3

(4)

式中，Z2、Z3為二號端口和三號端口的輸入阻抗。

若選擇

(5)

則可以滿足式(4)。為了保證一號端口匹配，應有k-2:

(6)

同時考慮到

(7)

則有

(8)

因此可得到

(9)

為了實現二號端口和三號端口的隔離，即二號端口或三號端口的反射波不會進入三號端口或二號端口，可選擇

(10)

在等功率分配的情況下，即P2=P3，k=1,有

(11)

為了增加隔離度，在兩路輸出之間添加一個R=2Z0的電阻。

3 Wilkinson功分器的設計

本文所設計的功分器技術指標如下:

工作頻率為15.75GHz～16.75GHz，插損≤1.5dB，幅度不平衡度≤±0.3dB，駐波≤1.4，相位≤±2.5，隔離度≥20dB；功率容量≥30W，尺寸小于112mm*21mm。

為了滿足設計要求，本文對微帶設計部分進行了改進，在保證微帶間耦合較小的前提下對阻抗變換段采用蛇形走線，使其在較小的尺寸下滿足λ/4阻抗變換要求，同時有利于隔離電阻的放置，使得整個設計更為緊促，尺寸更小。

考慮到工作時的功率容量，介質基板選用Rogers5880,其相對介電常數為2.2，厚度為0.254。通過ADS的LineCalc工具可以計算出在中心頻率16.25GHz時，特性阻抗Z0=50Ohm的傳輸線寬度和四分之一波長線在70.7Ohm的傳輸線寬度，得到上述初始值之后在ADS中通過一分二功分器級聯得到所需的一分八功分器。為了能夠進一步優化功分器性能，對一分八功分器模型中各段長度和半徑設置變量，通過大量仿真優化得到最終的原理圖如下所示。

一分二及一分八功分器原理圖如下:

圖2 一分二功分器ADS原理圖

圖3 一分八功分器ADS原理圖

在進行ADS參數優化之后，根據ADS最終定型的參數進行了HFSS仿真，其仿真模式如圖4所示。

圖4 HFSS仿真模型

4 一分八功分器仿真結果

圖5 回波損耗仿真結果

分別利用ADS和HFSS軟件對功分器回波損耗、隔離度、端口駐波比及幅度相位關系進行仿真分析，相關的仿真結果如圖5～11所示，其中圖5～7為ADS仿真結果，圖8～11為HFSS仿真結果，從圖中可以看出ADS仿真結果較好，均達到了設計要求，而HFSS因建模更接近于真實情況，考慮因素更多，其仿真結果沒有ADS仿真結果好，其輸入端口駐波比≤1.32，輸出端口駐波比≤1.3，隔離度≥20dB,幅度≤0.04dB,相位≤±0.7°滿足設計要求。

圖6 插入損耗仿真結果

圖7 輸出端口間的隔離度

圖8 端口駐波比仿真結果

圖9 輸出端口之間的隔離度

圖10 輸出端口的幅度關系

圖11 輸出端口的相位關系

5 實物制作與測試

實物加工采用Rogers5880作為介質基板，相對介電常數為2.2，基板厚0.254mm,通過焊接電阻實現端口隔離，結構采用鋁材料制成。

圖12 功分器實物圖

表1 功分器測試結果

各端口連接SMA端頭，使用Agilent矢量網絡分析儀對樣品進行測量，結果如表1所示。從表中可以看出，測試結果與HFSS仿真結果較為接近，各項指標滿足設計要求。

6 結語

本文在分析一分二Wilkinson功分器的基礎上，研究并設計了一分八功分器。并加工了實物，測試結果和仿真結果較為接近，達到了設計指標要求。因功分器工作在Ku波段，考慮到各個阻抗變換段的長度和隔離電阻的安裝位置，功分器在四分之一波長阻抗變換段采用“蛇形”布局，縮小功分器尺寸的同時也有利于隔離電阻的焊接，同時進行了ADS原理圖仿真和HFSS電磁仿真，通過對數據進行分析和不斷的優化，最終確定實物設計參數，在設計的過程中，因為HFSS對實際情況進行建模，仿真更加接近真實情況，仿真結果也更為可信。同時對實物的性能有一定的預見性。今后的研究方向是在現有的基礎上提高功分器的頻帶寬帶和隔離度。

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Design and Implementation of a 1-to-8 Wilkinson Microstrip Power Divider

CHENG Guangwei HU Jie

(School of Electronic Information Engineering，Xi’an Technological University, Xi’an 710032)

By analyzing the traditional Wilkinson power divider and quarter impedance transformer，a microstrip Wilkinson power divider is researched and designed. The designed power divider is simulated based on ADS and HFSS. By compared simulating and testing, the results of ADS and HFSS reach consensus. From 15.75GHz to 16.25GHz frequency range, the port VSWR is less than 1.4. From 16.25GHz to 16.75GHz frequency range, the port VSWR is less than 1.4, the isolation is more than 21dB, insertion loss is less than 0.7dB.

Wilkinson power divider, ADS, HFSS, isolation

2016年9月10日,

2016年10月29日

程光偉,男,副教授,研究方向:通信與電子信息專業領域的教學及研究工作。胡杰,男,碩士研究生,研究方向:射頻功放。

TP391.9

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.03.035