三种一分三路等功率分配器的性能比较

徐 琰， 韩淑萍， 王俐聪

（上海无线电设备研究所，上海200090）

0 引言

在微波电路中，为了将功率按一定的比例分成两路或者多路，需要使用功率分配器［1］。功率分配器反过来使用就是功率合成器。所以通常功率分配／合成器简称为功分器。功分器被广泛地应用于微波及毫米波电路，在阵列天线的馈电网络中，功率分配器可以将一路信号分成多路信号；应用于微波固态放大器，可以将多个信号合成一个更大功率的输出信号。功分器是固态发射机的一个关键微波部件，功分器设计的好坏直接关系到固态发射机的效率、幅频特性等性能的好坏。

多路功分器的设计可以分为两类：第一类是通过一个结构将一路信号一次性地分成多路输出；第二类是将一路信号经过一系列的一分二结构逐次地分成多路输出。在第二类功分器中最基本的单元是一分二功分器，然后由基本单元级联形成N路偶等分功分器，对于奇等分功分器，通常惯用的设计方法是将其中一路加负载匹配。但加负载后会引起某些指标的下降，故引起了对不同结构奇等分功分器的研究，通过三种一分三功分器的设计和仿真，比较各自性能的优缺点。

1 直接一分三的等功率分配器

通常来讲，通过一个结构将一路信号一次性地分成多路的功分器有较高的分配效率，信号经过的梯次少，插损较小。当功率分配的路数大于2时，微带形式的一分多路功率分配器可分为两类，分别是扇形和放射形，功分器拓扑结构如图1和图2所示。这种功率分配器各自有不同的应用侧重点，对扇形功率分配器来讲，电磁波在平面上传播，对于不同的输出端口，可以有不同的功率输出。

图1 扇形结构功率分配器

图2 放射形结构功率分配器

图3为采用扇形结构设计的一分三路功分器仿真模型，通道插损、通道之间隔离度的仿真结果分别如图4（a）、4（b）所示。

图3 一分三路功分器仿真模型

扇形结构功分器仿真结果：驻波小于1．5，相位差小于2．5°，最大插损－5．1 dB，最小隔离度为－14．6 d B。在理想情况下，直接一分三路功分器插损为－4．815 dB，仿真结果接近理论值。因为端口2、4之间没有隔离电阻，端口2、4之间隔离度较差。

图4 功分器插损及通道间隔离度仿真结果

2 基本单元一分二功分器的设计

第二类功分器是将一路信号经过一系列的一分二结构逐次地分成多路输出，其最基本的单元是一分二功分器。为了保证各输出端口有很好的隔离度，一分二的功分器采用威尔金森（Wilkinson）功分器［2］。

威尔金森功分器的对称性保证了信号的平衡度和隔离度，隔离电阻进一步提高了输出端口的隔离度，单节3 dB威尔金森功分器即可实现倍频的带宽。改变两个输出分支线的特性阻抗，可以实现任意功分比的分配。

图5（a）为传输线结构任意功分比的功分器原理图。假设端口1无反射；端口2、端口3输出电压相等且同相；端口2、端口3输出功率比值为1／k2，k为任意指定值。

两段分支微带线电长度L为λ／4，终端分别接负载R2和R3，设R2＝k Z0，由传输线理论，可得 Z02、Z03、R3的计算公式为

式中：Z0为输入端口特性阻抗；Z02、Z03分别为两段分支微带线特性阻抗；R3为端口3的负载。

图5 功分器示意图

取k＝1，即得到3 dB威尔金森功分器的各参数值：Z02＝Z03＝Z0，R2＝R3＝Z0，图5（b）为3 dB威尔金森功分器结构图，为了增加隔离度，在端口2、3之间添加隔离电阻R，R＝2Z0。

描述3 dB威尔金森功分器的关键指标有三个：驻波系数、插损和隔离度。由对称关系可知，端口1、3间的插损等于端口1、2间的插损。设计功率分配器时要考虑：在工作频带内驻波系数尽可能的接近1，插损尽可能接近3 dB，隔离度绝对值尽可能大；一分多的功分器还要考虑各端口间的相位一致性。

3 加负载匹配的一分三路功分器

一分N路偶等分功分器可由多个威尔金森功分器电路级联而成，N路威尔金森级联功分器原理图如图6所示［3］。

图6 N路威尔金森级联功分器

对于奇等分功分器，通常的设计方法是将其中一路加负载匹配。三个3 dB威尔金森功分器级联形成一分四路功分器，选择一分四功分器的其中一路加负载匹配设计一分三路功分器。仿真模型及端口设置如图7所示。通道插损及通道之间隔离度仿真结果分别如图8（a）、8（b）所示。

图7 功分器仿真模型

图8 功分器插损及通道间隔离度仿真结果

该功分器仿真结果：驻波小于1．25，相位差小于0．5°，最大插损－6．1 d B，最小隔离度为－23 dB。在理想情况下一分四路功分器插损为－6 dB，加负载匹配造成能量损失，仿真结果接近理论值。该功分器通道间隔离度较好。

4 由两个一分二功分器级联的一分三功分器

在平面微波集成电路中，直接分成多路的简单功率分配器不能满足各输出端口间高隔离度的要求；加负载匹配的功分器插损较大；第三种方法可以采用不等分一分二功分器与等分一分二功分器的级联来设计一分三等功率分配器。

从最简单的三等分功分器出发，可以先将输入P0按1∶2不等分，然后再将初次分配后功率为2P0／3的一支再二等分。继而推演得出五等分、七等分功分器的网络拓扑结构，图9为普遍奇等分功分器的拓扑结构［4］。

图10为三等分功分器的结构，其中Z0是输入和输出端口传输线之间分支线特性阻抗，Z1、Z2、Z3、Z4为各段分支线的特性阻抗，Z01、Z02为两等分支路的特性阻抗，R1、R2为隔离电阻的阻值。

图9 奇等分功分器的拓扑结构

图10 三等分功分器的结构

根据功分器的阻抗变换式（1），得到图10中Z1＝ 102．98Ω，Z2＝ 51．5Ω，Z3＝ 59．46Ω，Z4＝ 42．05 Ω，Z01＝Z02＝70．72 Ω，R1＝106．1Ω，R2＝100Ω。由于输入按1∶2不等分，所以图11为采用不等分一分二功分器与等分一分二功分器级联设计的一分三路功分器仿真模型，端口2分别与端口3，4的相位差可通过改变通道2的微带线长度来控制。

图11 一分三路功分器仿真模型

通道插损、通道之间隔离度分别如图12（a）、12（b）所示。

该功分器仿真结果：端口驻波小于1．45，相位差小于0．5°，最大插损－4．9 dB，最小隔离度为－17．4 d B，插损仿真结果接近理论值。由仿真结果可见，采用不等分一分二功分器与等分一分二功分器级联设计的一分三路功分器的隔离度比扇形直接一分三功分器的隔离度性能好。

5 三种结构功分器仿真性能比较

各种功分器的驻波性能可以通过改善匹配提高性能，主要比较不同结构功分器的插损、隔离度和相位性能，表1列举了三种结构功分器的插损、隔离度、相位一致性性能的仿真结果。

分析表1中数据后得到如下结论：

a）扇形直接一分三功分器尺寸小、插损小，但有一路隔离度较差，相对其它两种结构，各端口之间相位差稍大。

b）由三个3 dB威尔金森功分器级联设计的一分三路功分器，各端口之间隔离度高，相位一致性好，由于其中一路接负载匹配损耗一部分功率，故插损较大；如果功分器工作频率很高（超过K波段），接负载端容易影响其它端口幅相一致性，需调节匹配端口位置使影响最小。

c）由不等分和等分的两个一分二功分器级联设计的一分三功分器插损小且功率分配一致性好，相位一致性好，隔离度性能处于另外两种功分器性能之间。

图12 功分器插损及通道间隔离度仿真结果

表1 三种结构功分器性能比较

6 结束语

在总结一分三路等功率分配器的三种设计方法的基础上，分别建模采用HFSS软件仿真，并比较不同结构功分器的性能特点。三种功分器各有优势，扇形直接一分三功分器插损小，但隔离度较差；由三个3 d B威尔金森功分器级联设计的一分三路功分器端口之间隔离度高，但插损大；由不等分和等分的两个一分二功分器级联设计的一分三功分器插损小，隔离度性能处于另外两种功分器性能之间，可根据使用场合尺寸、指标等要求来选择合适的功分器形式。

［1］ 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，1976：209－214．

［2］ 程敏锋，刘学观．微带型 Wilkinson功分器设计与实现［J］，现代电子技术，2006，（20）：25－26．

［3］ 胡善祥，汪邦金，等．级联功率分配／合成器功分器的优化设计［J］，雷达与对抗，2007，（3）：36－40．

［4］ 赵晨星．奇等分微带功分器的仿真设计［J］，电讯技术，2006，48（7）：77－79．