一種超寬帶功分器的設計

楊晶晶 雒寒冰 張紅英 沈曉唯 沈亞飛

摘 要：文中采用多節Wilkinson 結構，研制了一個工作頻段在2～8GHz的超寬帶功分器，并使用ADS與HFSS 軟件進行仿真和優化設計。在此基礎上進行了實驗驗證，仿真結果和實物測試結果比較接近。測試結果表明該功分器工作頻率內具有較好的性能指標，插入損耗小于3.5dB，端口回波損耗小于-15dB，輸出隔離度大于20dB。

關鍵詞：超寬帶;功分器;Wilkinson，HFSS

中圖分類號：TN626 文獻標識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2021.02.045

本文著錄格式：楊晶晶，雒寒冰，張紅英，等.一種超寬帶功分器的設計[J].軟件，2021，42（02）：144-146

A UWB Power Divider

YANG Jingjing， LUO Hanbing， ZHANG Hongying， SHEN Xiaowei， SHEN Yafei

（ Shanghai Aerospace Electronic Technology Institute， Shanghai? 201109）

【Abstract】：A UWB power divider with the frequency range from 2GHz to 8GHz is designed by using multi-class Wilkinson structure in this paper. The ADS and HFSS software are both used to simulate and optimize the power divider. A prototype of the power divider was fabricated and measured， the results of the simulation approximately coincide with the divider testing. The experimental results show excellent performance that the input-to-output insertion loss is less than 3.5 dB，the port return loss is more than 15 dB，and the output-to-output isolation is more than 20 dB in the operating frequency band.

【Keywords】： UWB;power divider;Wilkinson structure

0 引言

隨著通信技術的發展，超寬帶通信應用越來越廣泛，其中對功分器的帶寬需求也越來越高。功分器是在所需的帶寬內，對功率進行比例分配，并做到各輸入輸出端口相互匹配，輸入輸出功率之間損耗盡可能小，且各端口間隔離度高[1]。超寬帶功分器對阻抗匹配要求很高，研制具有一定難度。

為了達到某中頻接收機提出的超寬帶功分器的設計指標要求，本文以Wilkinson結構的功分器為基礎，采用多節阻抗變換器級聯的方式，設計了一個超寬帶功分器，仿真結果表明設計的超寬帶功分器性能優良，滿足設計指標要求。

1 原理分析

目前的寬帶功分器通常采用微帶線結構和帶狀線結構，帶狀線結構的功分器損耗小，各路信號的一致性好和可靠性高，但是對設計、加工精度和裝配精度都有較高的要求，些許加工誤差都會影響實物的性能，并且可調試性差[2]。而微帶線結構的功分器結構簡單，焊接調試方便，且便于和微波毫米波電路集成，所以這里采用微帶線結構進行設計。

微帶功分器的具體結構形式很多，功分器常用的電路形式主要有三種：Ratrace型、Vranchline型和Wilkinson型，常使用的是Wilkinson功分器，它是在簡單功分器的基礎上，其輸出端口增加隔離電阻R，變成有耗的三端口網絡，從而實現各端口間的匹配以及輸出端口間的隔離，進而改善功分器的性能[3]。基本的微帶Wilkinson功分器的示意圖見圖1。

由圖1所示，輸入與輸出微帶線的特征阻抗是系統阻抗Z0，輸入信號從端口1進入，各路分支線的長度均為λ/4，兩路信號所經過的電長度是相等的，所以到達端口2和3的輸出信號是同電位的，因此，通過隔離電阻的電流為0，隔離電阻上無功率損耗。當某輸出端口如端口3失配時，會有反射波折回：一路經過隔離電阻到達端口2;一路沿分支線到達端口1后再反射回來，沿另一分支線到達端口2。適當選擇電阻以及焊接位置可以使兩路信號的相位相差180度，幅度相等，方向相反，相互抵消，從而使輸出端口實現隔離[4]。在二功分器中隔離電阻阻值為2Z0。

Wilkinson功分器具有良好的幅度相位特性而且設計簡便，是微波電路設計中常用的部件。然而單級Wilkinson功分器的帶寬較窄，為實現寬頻帶需求，可使用用多級功分器進行級聯，其工作原理與多級阻抗變換類似[5]。多節功分器是由四分之一波長線組成，在每節功分器尾端放置隔離電阻，功分器級數越多，工作帶寬就越寬，隔離度也越高[6]。

2設計目標

本設計是基于Wilkinson型功分器結構，利用電磁場仿真和電路路仿真軟件設計了一個2～8GHz 頻段的功分器，具體設計指標如下：

設計頻率：2～8GHz;

輸入、輸出駐波比：≤1.5;

插入損耗：≤5dB;

輸出端口隔離度：≥15dB。

3 仿真設計

本文設計2～8GHz二等分超寬帶功分器，根據工作頻段選擇了羅杰斯的TMM3基板，基板的介電常數為3.27，板厚為0.508mm。功分器的隔離電阻采用0603封裝的貼片電阻。

首先根據各項指標，如工作頻帶，傳輸損耗，隔離度等要求[7]，在ADS軟件中Design Guide菜單里的passive circuit工具初步確定所需超寬帶功分器的設計模型，分別設置工作頻段、電路節數等參數，計算出功分器的各級線寬、線長和電阻的阻值。調整節數以滿足帶寬和傳輸損耗要求，用該設計模型我們首先對2GHz～8GHz超寬帶二路功分器用ADS進行了設計和優化仿真，由此得到功分器的初始尺寸[8]。由于ADS采用的是二維結構的仿真辦法，根據該初始尺寸在HFSS軟件中進行3D建模，設置腔體和端口激勵， 進行精確的仿真和優化。仿真結果跟ADS仿真結果有一定的偏差，HFSS是三維仿真，仿真結果更為精確。

在HFSS軟件中對功分器建模，設置四分之一波長線長度、微帶線寬和隔離電阻為變量，Ln、Wn和Rn（n為1，2，3…）。改變各變量的值，通過優化仿真得到最優的設計結果。用HFSS軟件進行仿真優化計算，優化后的隔離電阻的阻值分別為R1=110Ω，R2=190Ω，R3=270Ω，R4=360Ω，R5=470Ω。

由仿真結果可知，該功分器在1.1GHz～8GHz頻帶內，駐波系數小于1.4，各個端口的匹配性能良好。在所設計頻帶內，傳輸損耗小于3.5dB，端口隔離度均大于20dB，輸出端口在工作時基本不會相互影響，具有很好的隔離效果.仿真曲線見圖3至圖6。

4 結語

本文通過ADS和HFSS軟件仿真，基于Wilkinson 功分器結構，設計了一種超寬帶功分器;結合兩種仿真軟件的優點，有效縮短了研制周期[9]，仿真結果的正確性提高了設計效率，且保證了精度。從設計的功分器的仿真結果可看出，在整個寬頻帶范圍內性能良好，該功分器的各性能指標均滿足設計要求，驗證了該設計方法的可行性，同時本文的超寬帶功分器在超寬帶通信技術中也有很好的應用前景。

參考文獻

[1] R.E.Collin.Foundation of microwave engineering， McCraw-Hill，Inc，1992.

[2] David M.Pozar微波工程（第三版）[M].北京：電子工業出版社，2015.

[3] 清華大學微帶電路編寫組.微帶電路[M].北京：人民郵電出版社，1976.

[4] 朱英超，楊青慧，張懷武.超寬帶功分器的設計[J].電子技術與軟件工程，2016（11）：138.

[5] 何猛.超寬帶微波功分器的研制[D].成都：電子科技大學，2009.

[6] 陳茂林.2～4GHz 寬帶Wilkinson六功分器的仿真和設計[J].通訊世界，2018（7）：62-63.

[7] 杜姍姍，楊青慧，張懷武.1～18GHz超寬帶功分器的設計[J].壓電與聲光，2017，39（4）：498-500.

[8] 郭崢，池少騰，楊自強.2～12GHz超寬帶功分器的設計[J].應用科技，2015，42（4）：34-37.

[9] 趙蘭，廖斌.寬帶Wilkinson功分器的研制[J].材料導報，11，2007，21（11A）：195-197.