4路寬帶Wilkinson功分器設計

孫利民*，潘成勝，韓華珍

(1.四川工業科技學院電子信息工程學院，四川德陽，618000；2.四川九洲電器集團有限責任公司微波部，四川綿陽，621000）

4路寬帶Wilkinson功分器設計

孫利民1*，潘成勝2，韓華珍1

(1.四川工業科技學院電子信息工程學院，四川德陽，618000；2.四川九洲電器集團有限責任公司微波部，四川綿陽，621000）

針對雷達和中繼通信系統對寬帶多路功分器的需求，本文在理論分析的基礎上，利用ADS2016軟件設計了一款應用于L波段的1分4路Wilkinson寬帶功分器。仿真和測試結果表明，該功分器具有隔離度大于20 dB，插入損耗小于6.2 dB，駐波比小于1.2的優良性能，為L波段功率放大器的大功率合成奠定了良好的設計基礎。

功分器；寬帶；Wilkinson；微波

引言

功分器是一種將一路輸入信號分成功率相等的兩路或多路輸出信號的器件，也可反過來將多路信號功率合成一路輸出，因此常稱為分配合成器。功分器廣泛的應用于微波電路中，是雷達和中繼通信系統獲取大功率的重要組成部分。隨著寬帶濾波器、寬帶天線和寬帶功率放大器的發展[1]，對功分器的帶寬要求越來越高，對高性能帶寬功分器的需求也越來越多[2]。在無線電發射設備中，通常采用功率分配技術將一路射頻信號用功分器分成多路，然后運用功率放大器分別放大各路信號，最后再用功分器將這多路信號合成為一路射頻信號，這是獲取更高輸出功率的有效途徑[3]。

自1960年Wilkinson發表了N路耦合的功分器之后[4]，Wilkinson功分器越來越受到人們的重視，并得到了廣泛的研究。Wilkinson功分器設計簡單，具有良好的幅度相位特性，常應用于混頻器、微波功率傳感器等微波電路中。隨著微波電路的高度集成化和寬頻帶，傳統的Wilkinson功分器已經不能滿足射頻電路的設計要求。因此如何實現體積小、能耗低、隔離度高的Wilkinson功分器，已成為人們研究的重點。

本文對Wilkinson結構的功分器進行了設計和研究，采用多節阻抗變換器級連[5]的方式，實現了寬頻帶、低損耗和小型化。

1 工作原理

威爾金森（Wilkinson）功率分配器具有將輸入的信號等分或者不等分地分配到輸出端口的功能，并保持輸出相同的相位。二等分功率分配器為一個三端口網絡，普通的三端口網絡輸出端口無隔離電阻，不能夠實現完全匹配。威爾金森功率分配器在輸出端加隔離電阻R可以實現輸出端口的隔離和匹配。圖1為威爾金森功率分配器的基本電路結構。

圖1 單節威爾金森功分器的基本電路結構

其中，R為隔離電阻，實現輸出端口之間高度的隔離。輸入、輸出端口特性阻抗均為Z0，兩段分支微帶線電長度為λ/4，特性阻抗為Z01/2，實現阻抗變換。

圖1所示的電路具有很好的對稱性，從端口1輸入的信號，會以等功率、等相位的信號在輸出端口輸出。因為經過R電阻的信號等電位，所以R上不會有電流流過。當信號從端口3輸入時，一路信號通過微帶線到達端口2，另外一路信號則經過隔離電阻R到達端口2，選擇合適的R，可以使得兩路信號相位剛好相差180°，相位抵消，從而實現端口2和端口3的隔離。當隔離電阻的阻值大小為2Z0時，可以實現輸出端口的良好駐波比。

圖1的威爾金森功率分配器電路結構工作帶寬較窄，為了實現寬帶功率分配器，需要引入多節阻抗變換器，即增加電長度為λ/4的微帶線節數和對應的隔離電阻。本設計中的寬帶功分器采用多節阻抗變換器來實現，阻抗變換器各節之間產生的反射信號相互抵消，從而實現工作頻帶的展寬，完成寬帶的匹配。通常，功分器的帶寬和節數成正比，節數越多，帶寬越寬，但是節數越多，必然引起電路的復雜程度和大的插損，因此要根據需求設計合理的阻抗變換器節數。

如圖2是寬帶二分功率分配器的基本電路結構。從1端口輸入的信號，分成兩路從2端口和3端口輸出。功分器的每條支路上的四分之一波長變換器是為了使輸入輸出匹配，隔離電阻R是保證輸出端的隔離度。考慮到多節阻抗變換器比單節阻抗變化器有更寬的帶寬，因此為了增加帶寬，在輸入端引入四分之一波長階梯阻抗變換器。

圖2 寬帶二分功分器的基本電路結構

這種功率分配器的設計公式為：

式中，K2為功率分配比，P2、P3分別為端口2和端口3的輸出功率，設P2=P3，K=1，則功率等分。各節阻抗變換器的長度都是該節微帶線在中心頻率上波長的1/4，也就是電長度都是π/2。將此一分二功分器級聯，可以設計出性能優良的一分四功分器。

2 寬帶功分器設計

本文設計一款L波段一分四功分器。其頻率范圍為：1～2GHz，輸入輸出駐波比小于1.2，隔離度小于-20dB，插入損耗小于6.2dB。

傳統的設計是通過理論計算出微帶線的尺寸參數和隔離電阻的阻值R，這種方法設計周期長，誤差較大，為了設計出良好的性能，本文采用ADS2016仿真軟件進行原理圖版圖聯合仿真。ADS2016是Agilent公司推出的最新版本EDA軟件，集成了從IC級到電路級直至系統級的仿真模塊，內含基于矩量法的電磁仿真模塊和基于有限元法的3D電磁場仿真器，極大的提高了設計的效率。

2.1 原理圖仿真

威爾金森功分器電路由輸入端口電路、阻抗變換電路和輸出端口電路組成。功分器分支線間使用隔離電阻增加傳輸端口之間的隔離度。基本的電路結構設置好后，要重點進行基板參數設置，選擇微帶線參數設置控件微帶基板（MSUB），基板材料采用F4B-2，微帶線介質基片的相對介電常數Er為2.55，微帶線介質基片的相對磁導率為1，微帶線介質基片的厚度0.8mm，微帶線金屬片的厚度為0.03mm，微帶線的損耗正切角為1e-4；由功分器的理論分析可知，輸入輸出端口微帶線的特性阻抗為50歐姆，四分之一波長微帶線的特性阻抗為70.7歐姆。用ADS2016自帶工具LineCalc計算出中心頻率1/4波長的微帶線長度和寬度，端口接50Ω電阻，然后設置優化目標，設計好的原理圖如圖3所示。

圖3 威爾金森1分4路功分器原理圖

為了便于參數的優化，在原理圖中插入VAR控件，設置優化參數，文中針對每節阻抗變換器的微帶線長度和寬度設計了8個優化參數。設置好優化參數后，還需要選擇優化方式和優化目標，分別是“Optim”（優化設置控件）和“Goal”優化目標控件。常用的優化方法有梯度和隨機，梯度法常用于局部收斂，而隨機法常用于大范圍搜索，本文采用隨機法。

文中總共設置了四個優化目標，分別為S(1、1)、S(2、1)、S(2、3)、S(2、2)。由于電路的對稱性，其他S參數不再設置優化目標，S(1、1)、S(2、2)分別為輸入輸出的發射系數，S(2、3)為設定輸出端口間的隔離度。S(2、1)為設定輸入輸出端口間的插損。雙擊Goal控件對目標進行參數設置。

2.2 仿真結果

設置好優化方式和優化目標后，對原理圖進行S參數仿真。圖4為輸出端口2、3、4和輸入端口1之間的插損，從圖4可知在頻率2GHz時，S21最大為-6.199dB，在1.2GHz時插損最小，約為-6.1dB，整個頻帶內插損小于6.2dB，性能良好，滿足指標。由于電路的對稱性，S31、S41和S21仿真結果一致。圖5為功分器輸入輸出駐波的仿真結果，在所設計的頻帶內，功分器的輸入端口Port1 和輸出端口Port2 駐波VSWR 均小于1.2。隔離度是功放器的重要指標之一，圖6為功分器隔離度的仿真結果，端2和端口3之間的隔離度在1GHz～2GHz內小于設計值 20dB，性能良好。

圖4 插損

圖5 駐波比

圖6 隔離度

3 實物測試

根據ADS2016版圖聯合仿真的結果加工功分器，使用ProE三維仿真軟件設計腔體，腔體材料為鋁，并做表面導電氧化，功分器輸入輸出端口采用SMA接頭。實物如圖7所示。

圖7 功分器實物

使用矢量網絡分析儀對功分器實物的輸入輸出插損進行測試，整個頻帶1GHz-2GHz范圍內插損小于6.2dB，性能良好，滿足指標。將S21測試結果和仿真結果對比如圖8所示：

圖8 實測與仿真結果對比

由圖8可知，實測結果和仿真結果具有良好的一致性。

4 結論

本文采用多節阻抗變換器級連的方式，對L波段的1分4路威爾金森功分器進行了設計和研究，利用ADS2016仿真軟件進行協同仿真并制作出了實物，實測結果和仿真結果基本吻合。表明該Wilkinson功分器在L波段具有優良性能，其隔離度大于20 dB，插入損耗小于6.2 dB，駐波比小于1.2，可廣泛應用于通信、功率分配合成系統。

[1]李冬,劉海業,蘇春梅,等.地空導彈營火力仿真設計[J].火力與指揮控制2007,32(12):106-109.

[2]劉婷,張江華,聶強,等.基于UML的雷達導引頭系統軟件工程過程[J].火控雷達技術.2012,41(4):26-30.

[3]周巧儀,崔富義,張智靚.8路超寬帶Wilkinson功分器設計.火控雷達技術.2017,37(2):108-112.

[4]JAIN A,DASH B,PANDA A K,et al.FPGA design of a fast 32-bit floating point multiplier unit [C]// Proceedings of 2012 International Conference Devices,Circuits and Systems(ICDCS).[S.l.]:IEEE,2012:545-547.

[5]王良全,黃世震.基于FPGA的WALLACE TREE乘法器設計[J].現代電子技術,2011,3,4(16):113- 115.

Design of Four Ways Broadband Wilkinson Power Divider

SUN Limin1*,PAN Chengsheng2,HAN Huazhen1
（1.Electronic information engineering college,Sichuan Institute of Industrial Technology,Sichuan Deyang,621000,China; 2.Microwave Department Sichuan Jiuzhou Electric Group Co.,Ltd.,Sichuan Mianyang,621000,China)

In view of the demand of radar and relay communication system for broadband Power Divider of multi-path,a four ways broadband power divider covering L-band has been designed by ADS2016 software based on the theoretical analysis.Simulation and test results show that the power divider has excellent performance with isolation degree of more than 20 dB,insertion loss of less than 0.2 dB and standing wave ratio of less than 1.2.The power divider provides a good design basis for high-power synthesis of L-band power amplifiers.

Power Divider；wide Band；Wilkinson；microwave

TN626

A

1672-9129(2017)04-0011-04

孫利民,潘成勝,韓華珍.4路寬帶Wilkinson功分器設計[J].數碼設計,2017,6(4):11-14.

Cite：SUN Limin,PAN Chengsheng,HAN Huazhen.Design of Four Ways Broadband Wilkinson Power Divider[J].Peak Data Science,2017,6(4):11-14.

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.04.004

2017-01-07；

2017-02-13。

孫利民（1986-），四川廣元，助教，碩士研究生，研究方向：微波射頻。E-mail:slm14@163.com