基于Wilkson結構的寬帶功分器設計與實現(xiàn)

蒙 飚

（柳州職業(yè)技術學院，廣西 柳州 545006）

0 引言

功分器全名叫功率分配器，是一種重要的微波器件[1]，可以將一路輸入信號能量，按不同的應用場景分成兩路或多路輸出相等或不相等能量的器件[2][3]。功分器的性能指標參數(shù)包括工作的頻率范圍、輸入和輸出駐波、插損、隔離度、相位平衡、幅度平衡等，這些性能的優(yōu)劣決定了功分器的優(yōu)劣[4][5]。一個好的功分器設計，能夠在性能和產(chǎn)品成本上找到一個完美結合點，這也是該款產(chǎn)品能否具備市場競爭力的關鍵所在。本文設計的是兩路等功分的寬帶功分器，設計該器件時選用的傳輸線為εr=2.17的帶線，隔離電阻為0603封裝的薄膜電阻，采用的是Wilkson形式，以標準帶線3GHz－18 GHz寬帶功分器的設計方案實現(xiàn)了該器件各項主要指標的升級。

1 寬帶功分器的設計目標

本文設計的寬帶功分器采用Wilkson結構，能夠兼容HEMT管和HBT管且符合如下主要技術指標：

（1）工作的頻率范圍：3GHz－18 GHz；

（2）輸入、輸出駐波：≤1.6；

（3）插損：≤4 dB；

（4）隔離度：≥15 dB；

（5）相位平衡：≤6°；

（6）幅度平衡：≤0.6 dB。

2 寬帶功分器的設計思路和理論分析

采用Wilkson結構設計此功分器主要包括兩方面的工作：一是根據(jù)指標確定所需的節(jié)數(shù)和計算每一節(jié)的特性阻抗值；二是進行隔離電阻的設計與優(yōu)化以提高功分器的隔離度，并兼顧調(diào)整功率器其他相關指標。在整個設計工作中充分應用微波辦公室和ADS軟件進行輔助設計。

2.1節(jié)數(shù)和特性阻抗值的確定

本設計要求的頻寬為f2/f1=6，輸入端的駐波比≤1.6，輸出端的隔離度≥15 dB，通過查相關文獻可知所需要的節(jié)數(shù)N≥3。該N可以選擇4或5或6等等，為了更好介紹設計方法，這里我們選取N=4進行相關設計和分析，然后將功分器的S參數(shù)作為優(yōu)化目標利用ADS應用軟件進行優(yōu)化仿真。其中，S21、S31是傳輸參數(shù)，利用微波電路EDA的ADS軟件內(nèi)可以實現(xiàn)，兩個參數(shù)反映傳輸損耗；S11、S22、S33在微波電路EDA的ADS軟件內(nèi)分別是輸入輸出端口的反射系數(shù)，S23在微波電路EDA的ADS軟件內(nèi)反映了兩個輸出端口之間的隔離度。

兩功分器作為一個三端口器件，在電路分析時我們采用偶型及奇型電路分析法。對此4節(jié)阻抗變換器我們采用切比雪夫響應來設計，通過對偶型等效電路的計算分析可以得出4節(jié)的特性阻抗分別為：R1=56歐姆，R2=65歐姆，R3=77歐姆，R4=89歐姆。根據(jù)選用的帶線參數(shù)（εr=2.17,B=1.6mm,T=0.0127mm）和中心頻率，由帶線計算工具就可以很容易地計算出各1/4波長變換器的長度與寬度，同時計算出功分器兩邊特性阻抗為50歐姆的帶線引出線的寬度。下面的工作就是運用微波辦公室對上面的理論計算值進行優(yōu)化，仿真時我們以S參數(shù)作為優(yōu)化目標，對1/4波長變換器部分的長度或?qū)挾冗M行反復調(diào)整，從而得到最優(yōu)化的1/4波長變換器的尺寸。另外，為了在滿足尺寸的要求下使得拐角處的反射盡量地小，我們將分支接頭作為一個器件單獨進行設計分析。

需要指出的是，由于我們的設計頻率已經(jīng)到Ku波段，同時我們選用的隔離電阻為0603的薄膜電阻，所以當兩帶線之間的距離以薄膜電阻的長度0.6mm設計時，其耦合是不可忽略的，在建立電路模型時應選用耦合線設計。在此基礎上設計出的功分器的結構如圖1所示。

圖1 寬帶功分器的初步結構框架設計圖

2.2隔離電阻的設計

一般來講，隔離電阻是通過在3GHz-18 GHz工作頻段范圍內(nèi)令奇型電路與偶型電路的反射系數(shù)Γ在幾個頻率點上相等（即使得在這幾個頻率點上有無限大的隔離），然后使Γo和Γe都取很小的數(shù)值來進行設計的。但是，這個計算量是非常大的，我們可以借助微波辦公室的優(yōu)化功能建立如圖2所示的電路模型對隔離電阻進行綜合設計。電阻的初始值可以通過查表得到，通過AWR具有的手動調(diào)諧功能可以獲得滿足條件的隔離電阻值。最后，還應對1/4波長變換器的長度進行手動微調(diào)，綜合優(yōu)化設計得到最佳帶線尺寸，以達到更好的指標要求。

圖2 隔離電阻電路圖

2.3寬帶功分器的總體設計

通過節(jié)數(shù)、特性阻抗值的確定和隔離電阻的設計，本文設計完成的功分器結構如圖3所示。其中隔離電阻的值分別為R1=50歐姆，R2=105歐姆，R3=250歐姆，R4=450歐姆，在實際電路調(diào)試時電阻還要做一些調(diào)整。我們設計出的50歐姆帶線的寬度為1.3mm，4節(jié)階梯變換帶線的寬度分別為0.6mm、0.85mm、1.05mm、1.2mm。帶線的具體尺寸可參見AutoCAD中的div2.dwg文件。

圖3 基于Wil kson結構的寬帶功分器（含隔離電阻）結構圖

3 寬帶功分器測試

本文設計的功分器，利用ADS軟件進行仿真測試。創(chuàng)建ADS工程文件并生成功分器的原理圖，按設計圖對仿真軟件的相關電路參數(shù)進行設置，特別是對仿真電路的S參數(shù)進行設置，通過仿真軟件不斷優(yōu)化電路性能目標以使得參數(shù)不斷優(yōu)化，最終獲得最優(yōu)S參數(shù)曲線。本文設計的功分器的S參數(shù)曲線如圖4和圖5所示，可以看出，按本文設計方案所設計的功分器是符合指標要求的。

圖4 功分器S參數(shù)曲線圖（1）

圖5 功分器S參數(shù)曲線圖（2）

4 結語

本文主要介紹的是標準帶線3GHz－18 GHz寬帶功分器的設計理論與軟件優(yōu)化方案，結構采用的是Wilkson形式，從S參數(shù)的仿真圖形看，設計是符合指標要求的。實踐表明，該功分器能夠極大提升性能參數(shù)，充分適應眾多大功率放大器應用場景的需要，可供同行參考。