微带一分五宽带Wilkinson功分器的设计与制作

徐 洋 彭 龙 张 帅 廖文军

(1.成都信息工程大学 成都 610225;2.成都天创微波有限责任公司 成都 610041)

0 引言

功分器在微波电路中有着广泛的应用，被应用在功率放大器、相控阵天线［1］、混频器和多路中继通信机等微波设备中。它性能的好坏直接影响到整个系统能量的分配和合成效率。随着宽带天线、宽带滤波器等器件的不断发展，对宽带功分器的需求也越来越大［2］。

功率分配器作为最基本的微波无源器件，它将一个输入信号分配成多个较小的信号，相反它也可将多个信号进行功率合成。当输出端口较多时，非2n个时，难以保证输出个端口幅度和相位的一致性。幅度和相位的一致性对系统的影响较大［3］，例如在相控阵天线系统中。本文利用Ansoft designer、Serenade、AutoCAD、HFSS 等软件对功分器进行协同仿真，设计并制作出了工作频带在0.7 ～2.5GHz 的微带一分五宽带功分器。可广泛应用于通信、功率分配合成系统中。

1 功分器的理论分析

1．1 宽频带等分功分器

本文设计的是一个工作频带在0.7 ～2.5GHz，涉及到功分比为1∶1 的两路功分器，带宽约为4 个倍频层，结合多节λ/4 阻抗变换器相级联的形式，阻抗变换器采用4 节。

通常选择的节数越多，功分器的工作频带越宽，同时带来的问题是传输线的损耗也会增加，尺寸也会越大，所以在设计过程中选择合适的节数是关键。对于功分比为1∶1∶1 的3 路功分器分析方法也是如此。

1.2 宽频带不等分功分器

在此基础上，进一步进行了一个不等分两路功分器的设计，分配比为2∶3 计算出了两路输出信号的分配损耗理论值分别为3.97dB 和2.21dB。阻抗变换器同样采用4 节。

解决了不等分的路数分配后，其它的隔离原理等计算方法同等功率分配器的完全相同。

2 功分器设计与实现方法

功分器的设计指标:工作频率为0.7 ～2.5GHz;电压驻波比(VSWR)＜1.3;插入损耗＜1dB;隔离度＞20dB。

本文采用的功率分配示意图如图1所示，采用ARLON 880 作为介质基板，其相对介电常数为2.2，厚度为0.508mm。

图1 功分器功率分配示意图

首先在Ansoft designer 搭建分配比为2:3 功分器电路模型，仿真得到其分配损耗和特性阻抗后在Serenade 软件中建立功分器物理模型，最终电路版图以CAD 格式导入到HFSS 中进行三维电磁仿真。

3 仿真设计

由上述设计方法得到微带一分五宽带功分器仿真模型，如图2所示。

图2 功分器仿真模型

由上图建立的仿真模型，仿真得到的结果如图3、图4、图5所示。

图3 功分器隔离度仿真

图4 功分器输入输出驻波比仿真

图5 功分器传输损耗仿真

图3 为功分器隔离度的仿真结果，端口2 和端口3 之间的隔离度在整个频带内小于设计值20dB，应该是二等分功分器隔离电阻阻值的选取不合适。图4 为功分器输入输出驻波的仿真结果，在所设计的频带内，功分器的输入端口Port1 和输出端口Port2 驻波VSWR＞1.3，可能是由于输入端采取了不等分的设计方法造成功分器两路输出分配不均，也可能是由于不等分功分器隔离电阻阻值选取不当造成。图5 为功分器传输损耗的仿真结果，在0.7～2.5GHz 频带内，插入损耗＜1dB，满足设计指标要求。但是2 路等分输出和3 路等分输出间幅度平衡度太差，这是由于输入端两路分配插损不均造成的。为了满足设计要求，优化不等分功分器的线长与线宽，选取合适的隔离电阻进行优化仿真，最终结果如图6、图7、图8所示。

图6 功分器输入输出驻波比优化仿真

图7 功分器传输损耗优化仿真

图8 功分器隔离度优化仿真

4 实物制作与测试

通过焊接电阻实现各端口之间隔离，外壳腔体采用本导材料。最终实际加工制作出的频段在0.7 ～2.5GHz宽带功分器实物如图9所示。

图9 0.7-2.5GHz 宽带功分器实物图

在各端口连接SMA 端头，功分器各性能指标的测量采用AV36580A 矢量网络分析仪，测试结果如图10、图11、图12所示。

图10 样品隔离度

图11 样品驻波比仿真

图10、图11、图12 分别为样品的隔离度、输出驻波比、传输损耗测试结果，由上面三幅图可知，在0.7 ～2.5GHz 频段范围内隔离度＞20 dB，驻波比＜1.3，插入损耗＜1 dB，测试结果与仿真结果很接近，说明HFSS 三维仿真平台对宽带功分器设计有较好的指导作用。由图12 可以看出功分比分别为1∶1和1∶1∶1 的输出端幅度平衡略有差异，这主要是由于输入端采取了分配比2∶3 的不等分设计，两路分配损耗不均造成的。

图12 样品传输损耗仿真

5 结论

本文采用不等分和等分相结合的设计方法并借助多节λ/4 阻抗变换器的方式设计了工作频带为0.7 ～2.5GHz 微带宽带一分五功分器，利用Ansoft Designer，Serenade 以及HFSS 软件进行协同仿真并制作了功分器实物，最终实物测试结果与仿真结果吻合，设计方法可行。加工制作出的实物在0.7 ～2.5GHz 工作频带范围内具有良好的性能指标，其端口间隔离度＞20dB，驻波比(VSWR)＜1.3，插入损耗＜1dB。可广泛应用于通信、功率分配合成系统。

［1］杜明亮，孟明霞，刘昊，李连辉，李鹏程.一种微带线高隔离度功分器的设计［J］.微波学报，2012，S2:345-347.

［2］赵海，刘颖力，张怀武，胡嵩松.宽带Wilkinson功分器的设计［J］.电子元件与材料，2010，29(12):28-30.

［3］崔冬暖，王建辉.一分二十微带Wilkinson 功分器的设计［J］.电子科技，2014，27(4):79-82.

［4］顾其诤，项家桢，袁孝康.微波集成电路设计［M］.北京:人民邮电出版社，1978.

［5］“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.

［6］向敬成，张明友.雷达系统［M］.北京:电子工业出版社，2001.

［7］刘红，王小峰.微波网络及其应用［M］.成都:电子科技大学，1997.

［8］高葆薪等.微带电路计算机辅助设计［M］.北京:清华大学出版社，1998.