Ku波段Wilkinson功分器仿真与设计

刘文豹，刘宇，杨自强，陈涛

电子科技大学电子工程学院，四川成都611731

随着现代电子和通信技术的飞速发展，信息交流越发频繁，各种各样的电子电气设备已经大大影响到各个领域。无论哪个频段工作的电子设备，都需要各种功能的元器件，既有如电容、电感、电阻、功分器等无源器件，以实现信号匹配、分配、滤波等;又有有源器件共同作用。微波系统同样包含了各种无源、有源器件，它们的功能是对微波信号进行必要的处理和变换。现代无源器件中，高性能、小体积的微带线功分器的设计变得日益重要。功分器是将输入信号分成相等或者不等的几路功率输出的一种多端口微波网络。常见的功分器主要有3种:Ratrace型，Vranchline型和Wilkinson型。因威尔森(Wilkinson)型功分器具有没有多的隔离端口、结构简单、易于微带实现等优点，在工程中应用广泛［1］。

在微波设计中，一系列的电磁仿真软件的出现给设计带来了很大的便利，缩短了设计周期。比如ADS、HFSS等。ADS是美国安捷伦公司所拥有的电子设计自动化软件，功能十分强大，包括时域电路仿真，频域电路仿真，三维电磁仿真等，仿真速度比较快［2］。HFSS软件是Ansoft公司推出的，基于电磁场有限元法的三维电磁仿真软件。有仿真精度高、可靠性强等优点。但是HFSS仿真的时间比较长，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 Wilkinson功分器的理论基础

简单的二等分功分器属于三端口网络。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。而工程上对信道之间的隔离要求很高，因此需采用混合型的功率分配器，即Wilkinson型功率分配器。Wilkinson的理论主要是在简单功分器中引入了隔离电阻，从而实现信号链路的匹配和高度隔离。它的原理在于引入隔离电阻后，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完全匹配且输出端口之间具有隔离，从而改善了普通功分器的不足。同样，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为一分二微带Wilkinson功分器的结构示意图和等效电路。在二等分功分器网络中，通过理论分析可知，当Z02=Z03=R=2Z0时，可实现等功率二等分［3-9］。

图1 Wilkinson功分器的结构示意图和等效电路

2 功分器的ADS和HFSS仿真优化

2.1 设计目标

本设计的设计目标是基于Wilkinson型功分器结构，利用HFSS和ADS仿真软件设计一个Ku波段的一分四等功率分配器，具体设计指标如下:

设计频率范围:16～18 GHz;输入输出驻波比:VSWR≤1.5;插入损耗:L≤7.5 dB;输出端口隔离度:I≥15 dB。

2.2 功分器的ADS仿真与优化

采用rogers5880介质板，厚度为 0.254 mm，介电常数2.2。由功分器的理论分析可知，输入输出端口的特性阻抗为50 Ω，则四分之一波长的的微带线特性阻抗为70.7 Ω。利用 ADS软件的 Linecalc工具仿真计算出在设计频段内该微带线的长度为3.2 mm，宽度为0.45 mm。使用ADS软件建立电路模型，先创建一个二等分的Wilkinson型功率分配器，隔离电阻取100 Ω，然后在二等分功分器的2个输出端口各加上一个二等分电路则形成一个一分四的功分器。ADS仿真电路图如图2(a)。对该电路进行仿真，仿真结果如图2(b)。由仿真结果可知，在设计带宽内4个端口的传输插入损耗小于6.1 dB，回波损耗小于－20 dB，隔离度优于 20 dB。各个指标均满足设计要求。

图2 功分器的ADS仿真原理图和仿真结果

2.3 功分器的HFSS仿真与优化

为了进一步提高仿真精度，在HFSS中建立3D模型，功分器三维模型如图3所示，并将ADS结构中的各个参数输入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，中心频率有所偏移，特别是输入驻波完全不能满足设计要求，需要对功分器结构参数进再次优化。将四分之一波长的长度L和宽度W设为变量，对整个电路进行优化扫参，并对微带线阻抗不连续处引入过渡转换结构，以此可以很好地改善各端口的驻波。最终的优化结果如图4。由图可知仿真结果中回波损耗优于－20 dB，传输损耗小于－6.5 dB，隔离度优于23 dB，幅度不平衡度小于0.3 dB，各项指标远高于设计目标。

图3 功分器的HFSS模型

图4 功分器的HFSS仿真结果

3 测试结果

使用腔体设计软件Solidworks软件按照HFSS仿真的腔体大小尺寸设计功分器的屏蔽腔体，腔体模型如图5。通过三维模型图可以很好地检查各个接头的位置和孔位。采用0.254 mm后的Rogers5880介质板加工电路板，屏蔽腔体采用铝材、电镀工艺。加工后的实物如图6。对该功分器进行测试，测试结果如下:在16～18 GHz的带内回波损耗优于－16 dB，4个端口的传输损耗在6.6～7.1dB，幅度不平衡度为0.5，驻波优于 1.3，隔离度优于 17.5 dB。4 个端口的不平衡度指标较差，主要是电路的不对称性导致的。

图5 屏蔽腔体的solidworks设计模型

图6 功分器设计实物

4 结束语

本设计通过对ADS和HFSS两个软件的联合使用，利用两个软件的各自优点在短周期内设计出一个工作在Ku波段的一分四Wilkinson功分器，通过加工实物并进行测试可得该功分器在在16～18 GHz的带内回波损耗优于-16 dB，四个端口的传输损耗在6.6～7.1 dB，幅度不平衡度为0.5，驻波优于1.3，隔离度优于17.5 dB。各个指标满足设计要求，并与仿真结果相近。证明该设计方法是一个设计功分器的很好的方法，该方法可以大大缩短设计周期，可在短时间内设计出高性能的功分器。

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