一種寬帶一分四Wilkinson功分器的設計與實現

王曉鵬，劉 暢，孫澤月，陳 林，姚武生，2

(1.博微太赫茲信息科技有限公司 太未來實驗室，安徽 合肥 230088；2.中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

0 引言

功分器是一種微波無源器件，用于功率的分配或者組合，功分器廣泛應用于各種通信、雷達微波系統當中。隨著現代無線通信技術的發展與應用，有些設備必須使用一些寬帶高頻的功分器，研發寬帶、高頻段的功分器變得尤為重要，目前有很多單位對寬帶的功分器進行了研究[1-7]，但對工作在Ka波段及以上的功分器研究甚少。

若傳統的Wilkinson功分器工作在K波段以上，其隔離電阻的安裝會遇到很大的挑戰[8-10]，并且普通電阻在高頻段的寄生效應更為嚴重，影響了功分器在高頻段的性能。本文功分器選用的電阻為薄膜芯片電阻，它選用的電阻材質為TaN，基片材質為Al2O3，該電阻的寄生參數較小，使用頻段最高可至50 GHz，同時具有防潮的性能，該電阻表面有純金電極，適合金絲、金帶以及導電膠粘接等微組裝工藝。將使用薄膜工藝制作的電阻應用到Wilkinson功分器的設計當中，可大大提高功分器在高頻段的性能。

1 Wilkinson功分器

功分器的類型可分為波導功分器、微帶功分器和SIW功分器，其中微帶功分器又可分為T型結功分器、電阻性功分器和Wilkinson功分器。其中Wilkinson功分器由于輸出端口具有較高隔離度的優勢而被廣泛應用。

有耗的三端口網絡能制成全部端口匹配，并在輸出端口之間有隔離[11]。Wilkinson功率分配器[12]是這樣一種網絡：當輸出端口匹配時，它仍具有無耗的有用特性，只是耗散了反射功率。

一種簡單的一分二單節Wilkinson功分器結構如圖1所示，其中1端口為輸入端口，2、3端口為輸出端口。輸入阻抗為Z0，2個輸出端口的負載阻抗分別為Z2，Z3。為了使負載阻抗與功分器匹配，2路功分上都采用了1/4波長阻抗變換器，特性阻抗分別為ZC2，ZC3。輸出2路端口中間的電阻為隔離電阻，它的作用是如果輸出端口有能量反射回來，則經過電阻消耗掉而不影響另一端的輸出。

圖1 單節Wilkinson功分器結構示意Fig.1 Structure of single section Wilkinson power divider

Wilkinson功分器的設計公式為：

Z2=kZ0，

(1)

Z3=Z0/k，

(2)

(3)

(4)

R=kZ0+Z0/k，

(5)

式中，k2為2個輸出端口的功率比。

以上介紹的是單節Wilkinson功分器，但是當工作頻段較寬時，單節Wilkinson功分器的指標會惡化，這時需要采用多節的Wilkinson功分器[13]，通過多節的1/4波長阻抗變換傳輸線來實現阻抗變換作用，從而展寬功分器的工作帶寬。同時，為了保證輸出端口的隔離特性，每一節1/4波長阻抗變換傳輸線之間也要接隔離電阻。多節Wilkinson功分器如圖2所示。

圖2 多節Wilkinson功分器結構示意Fig.2 Structure of multi-section Wilkinson power divider

圖2中，Z1，Z2，Z3，Z4為各節1/4阻抗變換的阻抗值，R1，R2，R3，R4為各節中間的隔離電阻。在多節阻抗變換中，若各階梯阻抗產生的反射波彼此抵消[14]，便可以使匹配的頻帶變寬。由此可知，選用Wilkinson的節數時，節數越多，功分器的工作帶寬也就越寬，但功分器的損耗會隨著引入的節數的增加而增加。要實際考慮在給定尺寸以及指標要求等條件下而選擇功分器的節數。

2 仿真優化與實現

2.1 仿真優化

根據以上分析，使用電磁仿真軟件建模仿真了一款工作在19～31 GHz的一分四路功分網絡，如圖3所示。設計指標為：端口的駐波小于2.0，端口的插入損耗小于10 dB，端口的隔離度大于15 dB。

圖3 一分四功分器仿真模型Fig.3 Simulation model of one-four power divider

選擇用兩級一分二功分器來實現一分四，每一級一分二功分器采用2節的Wilkinson功分器來實現，2節阻抗變換處采用葫蘆式的微帶線布局，基板使用常用的板材RO4350B，介電常數為3.66，厚度為10 mil。仿真時需要設置TaN電阻：

R=ρL/(Wt)，

(6)

式中，R為電阻值；ρ為電阻材料的體積電阻率；L為電阻薄膜的長度；W為電阻薄膜的寬度；t為電阻薄膜的厚度，通常為設計方便，假設電阻薄膜的長度和寬度相等，此時的設計電阻為50 Ω。通過改變電阻薄膜的長寬之比來改變電阻阻值的大小。

圖4給出了各端口的駐波仿真結果，Port1為輸入端口的駐波，其余為4個輸出端口的駐波，在工作頻段內，輸入駐波基本在1.6以內，輸出駐波仿真效果較好，都在1.2以內。

圖4 一分四功分器各端口駐波仿真結果Fig. 4 Standing wave ratio simulation results of the one-four power divider of each port

圖5給出了輸出各個端口的插入損耗仿真結果，可以看出幅度一致性以及帶內平坦度都較好。

圖5 一分四功分器輸出端口插入損耗仿真結果Fig.5 Simulation results of insertion loss of output port of one-four power divider

圖6給出了輸出相鄰端口的隔離度仿真結果。

圖6 一分四功分器相鄰端口隔離度仿真結果Fig.6 Simulation results of isolation of adjacent ports of one-four power divider

從仿真結果可以看出，2，3端口之間和4，5端口之間的隔離度基本都在17 dB以上，大部分頻段都在20 dB以上，3，4端口之間的隔離度要優于2，3端口之間的隔離度，3，4端口之間的隔離度在整個頻段內都在23 dB以上。綜合以上仿真結果，功分器的各項性能都達到了指標要求。

2.2 容差分析及加工

對于頻率較低的微帶線Wilkinson功分器來說，加工精度沒有過多的要求，但是對于工作于Ka波段的功分器來說，微帶的加工精度對性能的影響變得更重要，需要對其進行容差分析，依此來判斷現有加工精度是否能滿足指標要求。影響本文設計功分器的指標主要是微帶線的寬度，它包括50 Ω微帶線的寬度、2節阻抗變換處的微帶線寬度。

下面給出了以上微帶線寬度變化在±0.02 mm時，功分器的容差最差仿真結果。這里主要給出輸入端口的駐波以及2，3端口之間的隔離度的容差最差仿真結果，如圖7和圖8所示。從圖7可看出，在整個頻段內，輸入端口的最差駐波在1.8以內。從圖8可以看出，容差對功分器的隔離度影響不明顯，隔離度都在15 dB以上。

圖7 一分四功分器輸入端口駐波容差最差仿真結果Fig.7 The worst simulation results of standing wave tolerance of the input port of the one-four power divider

圖8 一分四功分器輸出相鄰端口隔離度容差最差仿真結果Fig.8 The worst simulation results of isolation tolerance of the output adjacent ports of the one-four power divider

由容差仿真結果可知，現有加工精度能滿足需求。根據此精度繪制功分器PCB加工文件，通過三維繪圖軟件繪制的一分四功分器的測試工裝三維加工模型如圖9所示。

圖9 一分四功分器的測試工裝三維加工模型Fig.9 Three dimensional machining model of test fixture of one-four power divider

3 實物及測試結果

根據仿真模型，進行實物加工，一分四功分器的加工實物如圖10所示。

圖10 一分四功分器加工實物Fig.10 Actual one-four power divider

由于功分器的工作頻段比較高，功分器的接口采用的是可拆卸的2.92 mm連接器加射頻絕緣子的連接方式，同時功分器的殼體上留有空氣腔，以對射頻絕緣子和微帶在連接時產生的不連續性進行補償[15]，通過這種補償方式可以改善端口的駐波。為了驗證這種補償方式的效果，下面給出了有/無補償方式的背靠背結構仿真結果對比，并做了實物小樣進行測試。圖11給出了有/無補償結構的接口仿真模型，圖12為有補償結構的背靠背接口加工實物。有/無補償結構仿真和測試結果如圖13所示。由圖13可以看出，加補償結構可以改善端口的匹配性能，在19～31 GHz時，有補償端口的實測駐波都在1.4以內。實測插損較仿真大了1 dB左右，這是由于引入的連接器帶來的額外插損。

(a)有空氣腔補償

圖12 有補償結構加工實物Fig.12 Processed material with compensation structure

圖13 有/無補償結構仿真和測試結果Fig.13 Simulation and test results of with/without compensation structure

一分四功分網絡的各端口駐波實測結果如圖14所示，在工作頻段內，輸出駐波都小于1.6，輸入駐波都在1.5以下，實測駐波和仿真的差別可能是由于板子加工和裝配誤差以及仿真設置的理想電阻與實際的薄膜芯片電阻有所區別導致的。功分網絡的各輸出端口的插入損耗如圖15所示，在31 GHz以內時，功分器的各端口插入損耗基本都在10 dB以內，各端口的幅度一致性較好，插損實測結果要比仿真結果高2 dB左右，這是由空氣腔的補償結構以及連接器的損耗帶來的。圖16給出了功分器輸出相鄰端口的隔離度實測結果，從測試結果可以看出，在17～33 GHz頻帶內的隔離度都在17 dB以上，在21～28 GHz頻帶內隔離度達到了20 dB以上。3，4端口之間的隔離度在整個頻段內都在27 dB以上，隔離度測試結果超過了指標要求的15 dB。總體來說，功分器的各項指標的實測結果與仿真結果吻合較好。

圖14 一分四功分器各端口駐波實測結果Fig.14 Measured results of standing waves at each port of a one-four power divider

圖15 一分四功分器輸出端口插入損耗實測結果Fig.15 Measured results of insertion loss at the output port of a one-four power divider

圖16 一分四功分器相鄰端口隔離度實測結果Fig.16 Measured results of isolation degree of adjacent ports of a one-four power divider

4 結束語

利用Wilkinson基礎理論設計了一款寬帶可工作至31 GHz的一分四功分器，通過將傳統的電阻替代為利用薄膜電阻工藝制作的TaN電阻，使得功分器在較高頻段也能保持較好的隔離度。測試結果顯示，在19～31 GHz整個工作頻段范圍內，功分器的隔離度在19 dB以上，功分器的各輸出端口駐波在1.6以內，輸入端口的駐波在1.6以內，插入損耗小于10 dB。總體來說，功分器的性能滿足指標要求。本文對運用薄膜芯片電阻來設計類似的Ka波段的微帶功分器提供了一定的參考價值和指導意義。