一種寬帶Wilkinson功分器的快速設計

王丹

【摘? 要】文章設計了一款工作頻率為0.6～2GHz的射頻寬帶Wilkinson功分器。該功分器采用3枝節阻抗變換器級連的方式來實現帶寬要求，利用ADS軟件進行設計、仿真、優化，實現了在0.6～2GHz的寬帶功分器的快速設計。

【關鍵詞】Wilkinson;功分器;ADS

1 前言

隨著無線通信系統的發展，人們對寬帶射頻器件性能要求越來越高。功分器在微波毫米波系統中占據了非常關鍵的作用，它并廣泛的應用到航空航天、衛星等各種各樣的領域之中。ADS軟件中的各種仿真器為快速設計功分器提供了便捷。

2.Wilkinson功分器結構的基本原理

二等分的Wilkinson功分器的基本結構如圖1所示，從Port1右起，可以看成是將信號功率一分為二的分路器;如果從Port2，Port3往左看，則可以認為它是將兩路的信號功率合成更大功率信號的合路器。功分器要求在需要的頻率范圍，其輸出信號按照指定的功率分配。另外，R可以看成隔離電阻，以保證功分器的2，3端口之間較高的隔離度。功分器關于電阻是對稱的，且微帶線的特征阻抗為Z01=2Zn，長度為入/4，這就保證了兩路信號經過的電長度相同，同時在輸出端口也保證了相同的幅度和相位，這個時候的隔離電阻不會消耗信號能量。匹配使得各輸入輸出端口的反射系數盡可能的小。Wilkinson功分器不僅具有良好的幅度相位特性而且設計簡便，是射頻功率合成、天線陣列、混頻器等微波電路設計中重要的組成部件。

3.寬帶Wilkinson功分器的傳統仿真設

根據帶寬要求，計算寬帶功分器的級數，再根據計算公式計算每級阻抗。利用ADS軟件的初步綜合出該功分器的原理圖，包括微帶各枝節的特征阻抗及隔離電阻的阻值等，再利用其優化的功能進行優化仿真設計。根據原理圖優化好的結果，在ADS軟件里生成版圖，再通過手動布局，通過手動調節優化，最終確定版圖的布局。

已知帶寬和功分器的終端系數R，可計算除Tchebyscheff阻抗變換器的節數n。本論文設計的寬帶功分器頻率為0.6～2GHz，各級枝節阻抗可阻抗計算公式求得，也可查表直接得出。

4.寬帶Wilkinson功分器的快速設計

本文章利用ADS的優化工具提供了一種快捷設計方法。根據二等分功分器的結構，可以把電路看成完全對稱的兩個支路。支路各級阻抗設置為不同變量，對任意一條支路仿真S參數，設置優化目標分別為S11、S21、S22，其中S11端口阻抗設置為100Ω，S22端口負載阻抗設置為50Ω，利用ADS中的OPTIM優化工具進行優化，得到各級阻抗。再根據阻抗設計完整的功分器電路，各級隔離電阻設置為變量，再對隔離度進行優化仿真。電路圖如圖2所示。

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幾個優化參數如圖3所示。

文中總共設置了幾個優化目標，分別為S11、S21、S31、S32。由于電路的對稱性，其他S參數不再設置優化目標，S11為公共端口回波損耗，S32為兩個等功分輸出端口間的隔離度。S21，S31為輸入輸出端口間的插損。雙擊Goal控件對目標進行參數設置。

經過一系列數據的的優化使其達到了最優結果，最后調用數據演示窗口得到相應指標如圖4所示。

本文采用多節阻抗變換器級連的方式，設計的0.6～2GH一分二威爾金森功分器，采用了ADS仿真軟件來輔助仿真，其插損S21、S31都小于3.1dB，駐波系數小于1.4dB，隔離度大于-18dB，能夠較好的用于各種射頻微波系統進行功率分配。

參考文獻：

[1]饒睿楠，高永強. 寬帶功分器的設計與仿真[J].火控雷達技術，2008（9）：70-73.

[2]顧其諍，鄧家楨.微波集成電路設計[M].北京：人民郵電出版社，1978.