宽带Ｗｉｌｋｉｎｓｏｎ功分器的设计与仿真

张中雷　张　任

摘要 介绍宽带功分器的设计方法，设计工作频带在1 GHz～3 GHz的微带线功分器，并使用Agilent公司的ADS软件进行仿真，得到理想的结果。

关键词 微波器件；微带线；Wilkinson功分器；宽带

中图分类号：TN626 文献标识码：A 文章编号：1671-489X（2009）15-0091-02

Design and Simulation of Broadband Wilkinson Power Divider//Zhang Zhonglei, Zhang Ren

Abstract In this paper, the authors demonstrate the method of design a broadband power divider, and devise a microstrip power divider that works in a frequency range from 1 GHz to 3 GHz, moreover, utilize ADS of Agilent Technologies to simulate, obtain a series of ideal results.

Key words microwave device；microstrip；Wilkinson power divider；broadband

Authors address No.722 Research Institution of CSIC, Wuhan 430079

1 前言

在微波系统中，功分器是将输入功率分成等分或不等分的多路功率输出的一种多端口微波器件，将发射功率按一定的比例分配到各发射单元，因此功分器在微波系统中有着广泛的应用[1]。它的性能好坏直接影响到整个系统能量的分配、合成效率。随着宽带天线、宽带滤波器等宽带器件的不断发展，对宽带功分器的需求也越来越大。

对于功分器，需具备在一定的频带范围内，输出功率按一定的比例分配，各输出端口之间互相隔离，各输入输出端口匹配以及传输损耗尽可能小等要求。为了达到功分器的上述指标要求，本文对Wilkinson结构的功分器进行研究，用多节阻抗变换器级联的方式来实现宽频带和低损耗，利用ADS软件设计并仿真工作频带在1 GHz～3 GHz的微带线功分器。

2 工作原理

二等分功分器是三端口网络，由于普通的无耗互易三端口网络不可能达到完全匹配，且输出端口间无隔离，而工程上对端口之间的隔离要求较高，因此采用混合型的功率分配器，即威尔金森型（Wilkinson）功分器。Wilkinson功分器的原理主要是在简单功分器中引入隔离电阻，从而实现端口的匹配及输出端口间的高度隔离[2]。在引入隔离电阻后，功分器变为有耗的三端口网络。从三端口网络的基本性质可知，有耗三端口网络可以做到全部端口匹配且输出端口之间具有隔离。当Wilkinson功分器的输出端口都匹配时，仍具有无耗的有用特性，只是耗散反射功率。该类型的功分器可以实现任意的功率分配比，且可方便地用微带线或带状线来实现。图1为二等分微带线Wilkinson功分器的结构示意图和等效电路。

在图1中，隔离电阻R接于输出端口2、3之间。由于结构对称，各路信号经过的电长度相同，因此在输出端口处于相同的电位，此时隔离电阻不消耗任何功率。假如信号由于某种原因在输出端口2处发生反射，则反射信号功率一部分经过隔离电阻R传至输出端口3，另一部分功率反射回输入端口，并在支线处再度分配，重新由两支路传输至两个输出端口。由于阻抗变换线的长度为λ/4，则两路反射信号到达端口3时的电长度相差180度，所以在端口3处，两路信号幅度相等、相位相反，彼此相消，从而实现两输出端口之间的相互隔离。对于任意分配比的混合型功率分配器，隔离电阻的作用相同。

3 宽带功分器的实现方法及仿真设计

由于单节λ/4阻抗变换器工作带宽为窄带，不能实现宽带功分器，因此本文采用多节阻抗变换器相级联的方式来展宽工作频带[3]。在多节阶梯式阻抗变换器中，若各阻抗阶梯所产生的反射波彼此抵消，便可以使匹配的频带得以展宽。通常选择的枝节数越多，功分器的工作频带越宽，但是尺寸也越大，传输线的损耗也会增加，所以选择合适的枝节数是关键。

本文设计的是一个工作频带在1 GHz～3 GHz，二等分的微带线型Wilkinson功分器。由于频带宽度为3倍频，根据多节阻抗变换原理，为了要达到此带宽要求，λ/4阻抗变换器至少为3节。选择微波复合介质材料（介电常数3.4，厚度1 mm）作为基板。利用ADS软件自带的LineCalc工具计算对应特性阻抗的微带线宽度及对应中心频率为2 GHz的λ/4微带线长度。所设计功分器的电路原理图如图2（a），仿真结果如图2（b），通过对原有电路参数进行优化，得到符合指标要求的电路参数。

在ADS中将电路原理图转化为版图进行电磁仿真，转化后的版图如图3（a），仿真结果如图3（b）。

比较图2（b）和图3（b）可知，电路仿真和版图电磁的仿真结果近似，满足设计指标要求。

4 结论

本文采用多节λ/4阻抗变换器设计工作频带在1 GHz～3 GHz的宽带Wilkinson功分器，并利用ADS软件进行设计仿真，仿真结果表明，采用多节λ/4阻抗变换器相级联来展宽工作频带是有效的方法。

参考文献

[1]李嗣范.微波元件原理与设计[M].北京:人民邮电出版社,1982

[2]Pozar D M.微波工程[M].第3版.张肇仪,等,译.北京:电子工业出版社,2006

[3]清华大学微带电路编写组.微带电路[M].北京:人民邮电出版社,1976