毫米波段的一分八路Wilkinson功分器設計

馬 瑩， 王云峰， 張海英

(1.中國科學院 微電子研究所 新一代通信射頻芯片技術北京市重點實驗室，北京 100029； 2.中國科學院 微電子研究所 健康電子研發中心，北京 100029； 3.中國科學院大學 微電子學院，北京 100049)

0 引 言

功率分配器簡稱功分器，基本功能是將輸入信號功率分成相等或不相等的幾路輸出。是一種多端口微波網絡，為無源器件，廣泛應用于現代通信領域[1]。常見的功分器有微帶型、帶狀線型、波導型等[2]。微帶線型功分器常用于工程實踐，尤以其中的Wilkinson功分器使用廣泛[3]。毫米波微帶功分器具有體積小，帶寬較寬的優點，本文設計的Wilkinson功分器利用1/4波長傳輸線阻抗變換器實現阻抗匹配，并采用弧形化及打孔處理增強匹配效果，得到了一種具有頻寬較寬，損耗小，體積小，隔離效果好的毫米波八路Wilkinson功分器[4]。

1 功分器基本原理

1.1 功分器技術參數

功分器的主要技術參數有功率損耗(包括插入損耗、分配損耗和反射損耗)、各端口的電壓駐波比、功率分配端口間的隔離度、功率容量和頻帶寬度等[5]。

在功分器中，電路元件所能承受的最大功率為核心指標，一般由小到大為微帶線、帶狀線、空氣帶狀線、空氣同軸線[6]。本文采用了微帶傳輸線，輸出時功分器的功率分配對分配損耗產生影響，八路等功率分配器的分配損耗為-9 dB。傳輸線的介質或導體不理想會產生插入損耗，采用λ/4阻抗變換器可以起到補償效果。Wilkinson功分器的輸出端隔離電阻器相對于傳統功分器的優勢是可以實現信號的隔離、匹配，對于提高隔離度有很好的效果。一個功分器的輸出端口之間應該保證一定的隔離度。每個端口的電壓駐波比越小指標也越好[2]。

1.2 微帶功分器結構

主要采用非對稱性空氣填充和部分空氣填充。設計為八路等分功率，以一分二的微帶型功分器為例，結構如圖1，帶有負載。當信號從左側端口輸入時，功率從端口1和端口2輸出，當匹配合適時，電阻器R上無電流，不吸收功率。若端口1或端口2稍有失配，即產生功率反射，被電阻器吸收。 對于等功率分配器，兩端口功率P1=P2，且由于輸入端到端口1與輸入端到端口2等長，所以，端口電壓V1=V2，由P=V2/Z,知Zin1=Zin2，Z為阻抗。為了使端口1與端口2隔離，則R=2Zo。由于終端負載一般采用50 Ω電阻器，由匹配網絡，從輸入端口看Zin=Zo=50 Ω，而Zin1Zin2=50 Ω(表示電阻并聯)，且為等分，Zin1,Zin2的輸入阻抗應為100 Ω，則由二者到輸出終端50 Ω需要通過阻抗變換來實現匹配[7]。

圖1 一分二功分器示意

1.3 階梯阻抗變換

圖2 λ/4阻抗變換

1.4 隔離原理

隔離處理能夠使輸出端口間匹配。通過輸出路與路間的阻抗匹配達到要求，采用奇偶模分析法達到隔離效果。

從圖3得出對輸出端加激勵與偶模激勵和奇模激勵之和等價。從圖4知輸入偶模激勵可使兩路相位相同，且無信號通過隔離電阻器。從圖5知輸入奇模激勵使得兩路反相，信號通過隔離電阻器。

圖3 激勵響應

圖4 偶模電壓激勵等效

圖5 奇模電壓激勵等效電路

2 一分八路Wilkinson功分器設計

2.1 設計模型參量

當厚度為0.5 mm，頻率35 GHz，基板材料的相對介電常數εr=2.2時，通過計算可得Z0處傳輸線寬為1.5 mm，在1/4波長傳輸線阻抗變換器處寬為0.8 mm,長度為1.58 mm。隔離電阻值設置為100 Ω。設計過程中，為增大帶寬，選用圓弧狀作為阻抗變換器。將計算出的尺寸在軟件中建模，通過仿真可以看出各個端口的駐波及隔離，插入損耗等參數。

2.2 一分二功分器設計

如圖6(a)，通過圓弧化及打孔設計，可以使得阻抗匹配效果更佳，圖6(b)圖中各端口參數曲線：S11在34.5～39 GHz范圍小于-20 dB，S12和S13基本重合，為-3 dB。一分二的功分器各參數可以很好地達到要求。

圖6 一分二功分器模型及S參數曲線

2.3 一分八功分器設計

將一分二功分器級聯后得到圖7，采用工字型方式級聯可避免常見八路功分器中從一端輸出路徑過長的弊端，由各端口S參數曲線可以看到在32～36 GHz范圍內，S21～S91在-9～-9.5 dB之間，S11小于-15 dB。

圖7 一分八功分器模型及S參數曲線

在整個仿真過程中，通過對一分二功分器的設計，使其S11，S12，S13達到最好的狀態，模型級聯后，各參數表明插入損耗幾乎接近理想值。優化分析后使得各個端口的駐波比，隔離度以及插入損耗等可以達到較理想狀態。此時設置在直通位置的寬度為1.45 mm，1/4波長傳輸線阻抗變換器線寬度為0.9 mm。

3 結 論

整體設計上，通過圓弧減少反射，并對尖銳地方打孔，對變量及弧的彎曲度不斷更正，將毫米波段的功分器設計的S11值降至-15 dB以下。通過采用優化變量的方法用HFSS進行仿真分析，在取定范圍內選出最佳數值。模型中采用的圓弧方式，也可以在一定程度上擴展帶寬，但在功分八路情況下仍有帶寬變窄現象。

本文采用工字型及弧度設計的方式在35 GHz頻率下設計一分八路Wilkinson功分器，所得S參數結果對于位于毫米波段的功分器研究具有較好的參考價值及應用前景。

參考文獻:

[1] 趙亞妮，楊自強，楊 濤.一種W波段一分八波導功分器的設計[J].壓電與聲光，2012，34(3)：463-465.

[2] Pozar D M.微波工程[M].3版.張肇儀,譯.北京:電子工業出版社,2006．

[3] 廖承恩.微波技術基礎[M].北京:國防工業出版社，1984．

[4] 吳文榮，余大海，裘祖榮,等.毫米器件半自動微裝配系統研制[J].傳感器與微系統，2013,32(1):83-90.

[5] 李明洋.HFSS電磁仿真設計應用詳解[M].北京:人民郵電出版社,2010.

[6] 蔣 迪,徐躍杭,徐銳敏,等.基于開環諧振器的新型寬帶功率分配器研究[J].微波學報，2013，29(3):36-39.

[7] 鄭強林,梁勤金,石小燕.Wilkinson型功率分配器設計[J].微波學報,2014,30(6):237-240.

[8] 張巡立.微波功率分配器的仿真設計[J].無線互聯科技，2008(8):109-112.