基于ADS与HFSS的带状线功分器的设计与实现

马子余

（浙江纺织服装学院 浙江 宁波 315211）

微波功分器是无源微波器件，用于功率分配或功率合成。在微波系统中，需要将输入功率按一定的比例分配到各输出端口，如微波信号分离、阵列天线馈电等，在微波系统中有着广泛的应用。它的性能直接影响到整个系统功率分配和合成效率。自从1960年Wilkinson首次提出N路耦合的功率分配器后，功分器得到了广泛的研究，并越来越为人们所重视，成为高频电路中使用最为广泛的微波器件之一，在微波功率传感器、混频、相位检测等电路中均有应用[1]。

功分器为通信系统中最常用的无源器件之一，功分器主要有同轴腔体功分器、微带线功分器与带状线功分器[2-6]。其中微带功分器的优点是体积小、隔离度大，但同时也存在功率容量小、插入损耗大的缺点[7-8]；同轴腔体功分器的优点是功率容量大、插入损耗小，其缺点是体积大、隔离度小。因此在对功率容量与隔离度都有要求的情况下同轴腔体功分器与微带线功分器就难以满足要求，而带状线功分器则可以同时满足较大的功率容量与隔离度。

在众多的仿真软件中，ADS为基于矩量法的2.5D电磁仿真软件，其在设计平面结构器件时有较大的优势，而在带状线功分器设计过程中，单独采用ADS仿真则存在仿真精度不高的缺点，导致ADS仿真结果与实测结果有较大的出入，但ADS具有仿真优化速度快的优点，并可实时观察结构参数变化引起的性能参数的变化趋势。HFSS为基于有限元的3D电磁仿真软件，其对分析仿真任意三维无源结构的高频电磁场仿真优化精度较高，但由于软件算法本身原因，存在计算量较大仿真优化速度较慢的缺点。因此将ADS与HFSS结合使用，可先用ADS仿真快速得到优化结果，然后将ADS仿真结果输入HFSS中进行二次仿真优化，以提高仿真精度与设计效率。

1 设计原理与方法

1.1 设计原理

本功分器为工作频率在700～2 700 MHz的二路等功分器，因此选择Wilkinson功分器结构。由于f2/f1≈3.86查表可知，节数选取4节基本可以满足本次设计要求，结构原理图如图1所示。

图1 4节2路等功分器Fig.1 Four section two way splitter

运用等波纹切比雪夫多节阻抗变换原理，计算可得Z1=55.52 Ω、Z2=64.64 Ω、Z3=77.36 Ω、Z4=90.06 Ω。由于节数大于3节，隔离电阻数值不容易通过严格的综合方法求出，但仍可仿照阶梯阻抗变换的分析方法，求出包括所有隔离电阻的影响在内的输入口反射系Γ0数。但是Γ0一般说来不可能严格满足等波纹切比雪夫特性，取近似，得到计算公式如下：

其中，yN为归一化导纳，gN为归一化隔离电导。ρe90°是偶模阶梯阻抗转换在θ=90°时的驻波比，对切比雪夫响应来讲，当N是奇数时ρe90°=1；当N为偶数时，ρe90°为频带内最大驻波比[10]。

根据式（1）～（4）可求得各节的隔离电阻为

考虑到经济效益及机械加工效率，将该功分器采用的腔体深度为5.5 mm，内导体厚度为0.5 mm。利用ADS软件将每节阻抗换算成内导体的宽度与长度，其中Z1的线宽为5.60 mm，Z2的线宽为4.42 mm，Z3的线宽为3.24 mm，Z4的线宽为2.40 mm，每节长度为44.09 mm。

1.2 设计方法

根据相关的理论计算，得到功分器相关的腔体尺寸结构与内导体尺寸结构。针对理论计算所得数据，在ADS中进行相应的仿真，其中SSUB模块中设定腔体深度为5.5 mm，内导体厚度为0.5 mm；在保证每节长度的前提下将其分为3-4小节，每小节的连接使用TLines-Stripline中的SMITER相连；在VAR功能模块中设置相应的变量参数及相应的变化范围；在SPARAMETERS模块中设定频率范围为700～2 700 MHz；在GOAL模块中设定输入输出驻波、插损及隔离度的优化目标；在OPTIM模块中选用random的优化模式。通过ADS仿真优化满足设定的优化目标后，确定VAR中最终的优化参数值。

由于在HFSS中直接绘制内导体存在一定的不便，因此首先根据ADS中的最终优化参数值在AUTOCAD中画出内导体的平面图，然后将此平面图导入HFSS中。其中CAD中的平面图必须为闭合的线段组成，否则导入HFSS中时会出现错误。将导入的内导体平面设定厚度为0.5 mm，根据内导体的形状画出外腔体，设定腔体深度为5.5 mm，要求内导体处于腔体深度中心位置。根据隔离电阻的大小在每节的中心画出一平面，在平面上添加相应大小阻值的电阻。然后根据HFSS的仿真结果对内导体与腔体的尺寸结构进行相应的修改直到满足设计要求为止。

最后根据HFSS中的各项参数值，最终确定实物的各项形状参数，并进行机械加工。其中腔体的深度对功分器相关参数影响较大，而宽度尺寸则对于功分器的相关参数影响不大，因此在设计腔体具体长宽尺寸时考虑到加工装配及内导体的安装方便可对腔体内部形状做适当的改变。

2 仿真与测试

根据理论计算结果，在ADS中建立相应的模型，模型根据图1的功分器结构原理图，设定为4节（不包括输入与输出端口部分），由于每节长度为44.09 mm，考虑到加工及安装方便，将每节形状设定为弯曲状。将内导体每一节的宽度、长度、厚度以及隔离电阻设为优化参数并设定参数取值范围，设定优化目标为S11小于-25 dB，S12小于-3.1 dB，S22小于-25 dB，S23小于-20 dB，在ADS中进行多次自动优化后得到的结果如图2所示，可以发现优化结果已达到优化目标。

图2 ADS仿真结果Fig.2 Simulation results of ADS

为了进一步提高仿真的精度，在HFSS中建立3D模型，功分器三维模型如图3所示。并将ADS优化后结构参数输入HFSS进行三维仿真。首次仿真后发现HFSS仿真结果与ADS仿真结果有一定的差异，特别是输入驻波完全不能满足设计要求，因此需要对功分器结构参数进行再次优化。

图3 HFSS中2路功分器三维模型Fig.3 3D model of two way splitter in HFSS

在HFSS中设定参数范围，采用自动优化功能虽然方便，但耗时较长。为了提高仿真效率，首先在ADS中利用Tunning功能分析功分器各结构参数对性能指标的影响，并根据这一规律调整HFSS模型中内导体的结构参数。经过调整结构参数 HFSS仿真优化结果如图4所示，可以发现功分器各端口回波损耗小于-22 dB；插损为3.02 dB，且其带内波动小于0.05 dB；隔离度大于22 dB，仿真结果已完全满足实际需求。

按照HFSS中的优化结果，制作得到实物如图5所示，其中功分器外形尺寸为130 mm×96 mm×11 mm，连接器采用N头连接器。为了提高功分器的三阶互调，将腔体内部与内导体进行电镀处理，腔体镀层材料与厚度为：铜镀层5 μm，银镀层5 μm；内导体镀层材料与厚度为：银镀层5 μm。

图4 HFSS仿真结果Fig.4 Simulation results of HFSS

图5 功分器实物图Fig.5 Photo of two way splitter

实物测试结果如下：

功分器样品输入端口回波损耗小于-23 dB，其中700～800 MHz频率范围内输入回波损耗小于-23 dB，800～2 700 MHz频率范围内输入回波损耗小于-29 dB；左端输出端口回波损耗小于-22 dB，其中700～2 600 MHz频率范围内回波损耗小于-27dB，2600～2700MHz频率范围内回波损耗小于-22dB；右端输出端口回波损耗小于-23 dB，其中700～2 600 MHz频率范围内回波损耗小于-29 dB，2 600～2 700 MHz频率范围内回波损耗小于-23dB；功分器插损为3.05 dB，且其中输入端口至左端输出端口带内波动小于0.1 dB，具体插损范围在-2.99～3.09 dB内波动，输入端口至右端输出端口带内波动小于0.05 dB，具体插损范围在-2.99～3.01 dB内波动；功分器隔整体离度大于20 dB，其中最小值20.5 dB出现在频率2.65 GHz，最大值44 dB出现在频率1.3 GHz。可以发现功分器样品的各性能指标优良，与仿真结果有较好的吻合。

3 结 论

笔者通过将ADS与HFSS联合使用的仿真方法，在较短时间内设计制作了一款大功率、高隔离、宽频带的2路带状线功分器。当功分器工作在700～2 700 MHz频率范围时，其主要性能指标为：端口回波损耗小于-22 dB；插损为3.1 dB（含分配比），带内波动小于0.1 dB；隔离度大于20 dB，完全满足实际使用需求。通过比较仿真和测试结果，两者基本一致，这表明该仿真方法可大大提高仿真效率，缩短研发周期。

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