基于ADS的1∶4 Wilkinson正交功率分配器设计与实现

2016-04-07万建岗葛代河

无线电工程 2016年2期

关键词：功分器微带线插入损耗

万建岗，陈　鹏，葛代河，邓　静

(1.空军预警学院，湖北武汉 430019；

2.中国人民解放军94878部队，安徽芜湖 241000)

基于ADS的1∶4 Wilkinson正交功率分配器设计与实现

万建岗1，陈鹏1，葛代河2，邓静1

(1.空军预警学院，湖北武汉 430019；

2.中国人民解放军94878部队，安徽芜湖 241000)

摘要设计了一个S波段1∶4Wilkinson正交功率分配器。该功率分配器由3个1∶2 Wilkinson功率分配器二级级联构成，加入λ/4微带传输线，形成正交网络，同时对功率分配器进行了增益均衡设计，应用微波仿真软件ADS对电路进行了优化设计，给出了S参数仿真结果、电路版图及实物图，测试结果表明，在2.7～2.9 GHz工作频率范围内，输入输出端的驻波比<1.3，隔离度<-24 dB，插入损耗≤0.3 dB，相位偏差小于5°(相对于标准相位)。

关键词Wilkinson功率分配器；ADS仿真；优化设计

Design and Implementation of 1∶4 Orthogonal Wilkinson Power Divider Based on Software ADS

WAN Jian-gang1,CHEN Peng1,GE Dai-he2,DENG Jing1

(1.AirForceEarlyWarningAcademy,WuhanHubei430019,China；2.Unit94878,PLA,WuhuAnhui241000,China)

AbstractA 1∶4 orthogonal Wilkinson power divider operating on S-band is introduced.The power dividerconsists of three 1∶2 Wilkinson power dividers in 2-stage cascade,and an orthogonal network is formed by adding aλ/4 microstrip line.The power gain balance is also designed.The circuit is optimized by the simulation software ADS.The results of simulation with S parameters,circuit layout and 1∶4 picture of Wilkinson divider are presented,which show that within the 2.7～2.9 GHz operating band,the input/output VSWR is less than 1.3,the isolation less than -24 dB,the insertion loss less than or equal to 0.3 dB,the phase offset less than 5°(relative to standard phase).

Key wordsWilkinson power divider;ADS simulation;optimization design

0引言

全固态雷达发射机无论是集中式高功率发射机，还是分布式有源相控阵发射机都离不开一种基本微波元件，即功率分配器/合成器。多个相同的单元放大器与功率分配器/合成器一起，构成的均匀组合放大组件是实现固态发射机的基础，均匀组合放大组件的显著特点是单元放大器的功率增益等于其驱动的放大器个数，此时产生所要求的额定输出峰值功率所需要的单元放大器个数最少，效费比最高[1-3]。通常情况下，微波功率晶体管功率增益可达到6～8 dB左右，考虑到功分器/合成器以及微带电路的损耗，均匀组合放大组件通常为1推4的结构，需要用到1∶4功分器。Wilkinson功分器具有结构简单、插入损耗低、隔离度高、幅相一致性和可实现全端口匹配的优点，常用于功率分配网络中[4]。

本文基于ADS仿真软件，设计了一种1∶4Wilkinson正交功率分配器，并应用于某型雷达固态功率放大组件中，该功分器由3个1∶2 Wilkinson功率分配器二级级联构成，每个分配器输出端口间加一个隔离电阻，以达到两端口隔离的目的，二级分配器之间通过阻抗为50 Ω的微带线连接，为减小输入端反射系数，加入λ/4微带传输线，形成正交网络，同时为保证整个功放组件的增益平坦度，对功率分配器进行了增益均衡设计，设计中采用微波仿真软件ADS对电路进行CAD辅助设计并给出了仿真结果和实物制作图，测试结果表明，该功率分配器各性能参数良好。

11∶4 Wilkinson功分器设计与仿真

研究设计的雷达单个固态功率放大组件工作于S波段，由二级放大器构成，采用1推4的结构将35 W左右的输入信号放大到700 W左右输出，组件中采用的放大器为5个相同的平衡放大器，功率分配器为1∶4 Wilkinson功分器，组件原理图如图1所示。

图1　功率放大组件原理

为了减小输入端反射系数，在功分器的一个输出端加入一段λ/4微带传输线，构成移相单元，使2个放大器的反射波在输入端口上反相抵消，得到一个良好匹配的正交功率分配器，相应的在合成器的另一个输入端也接入一段λ/4微带传输线，使合成器能够良好匹配并达到同相功率合成的目的。

另外由于第1级放大器带内功率波动对整个功放组件的带内功率平坦度有很大影响，为了控制组件第2级输出功率大小和平坦度，前级放大器应根据后级放大器的最佳输入功率要求进行均衡。因此功分器作用不仅是功率分配而且是功率增益均衡电路，由于晶体管功率增益随频率升高而降低，功率分配器正向传输还应具有相反特性，即工作频率越高，插入损耗越小。

1∶4正交功率分配器的设计目标是：分配器输出端幅度、相位一致性高、电路插损小、具有增益均衡功能[5，6]，同时特别要考虑电路布局，要求布局合理紧凑，尺寸符合实际，否则即使仿真效果再好，也只能停留在理想情况，不能应用到实际电路中。其主要技术指标为：工作频率2.7～2.9 GHz，插损≤0.4 dB，输入/输出驻波比≤1.4，隔离度≤-24 dB，相位偏差≤±5° (相对于标准相位)。

考虑到功率分配器工作频段、传输功率及设备尺寸，采用Rogers公司的RT/duroid 5880型介质基板，介电常数εr=2.2，基片厚度H=0.787 mm，导体厚度T=0.01 mm，金属电导率Cond=3×107，损耗正切角TanD=0.000 9。

首先设计第1级的1∶2 Wilkinson功分器结构，为了实现电路增益均衡，以最高频率2.9 GHz为设计频率，因此电路在其他频率由于失配传输性能会降低，从而实现增益均衡功能。借助ADS微波仿真软件中计算微带线参数的工具——LineCacl，快速得出第1级功分器输入输出臂特性阻抗为50 Ω时所对应的微带线宽度，以及2分支线特性阻抗为70.7，长度为λ/4时对应的微带线宽度和长度[7，8]。为节省空间，可以将2分支线设计成半圆形，为了与后级2个1∶2 Wilkinson功分器衔接紧凑，2个输出臂长度一致，且足够长，向两侧展开，并向内弯曲，为后级功分器留出相应空间，输出臂在仿真原理图布局如图2所示。

图2　第1级功分器输出臂仿真原理

然后设计第2级功分器的结构，第2级功分器由2个相同的1∶2 Wilkinson功分器构成，分支线同样设计成半圆形，两输出臂设计成弧形，自然展开，并以中心频率2.8 GHz为依据设置移相单元，使两输出臂长度相差λ/4，输出相位相差90°，如果还是以2.9 GHz为依据设置，则在低工作频点，相位偏差将变大，导致难以满足技术指标要求。为方便后续的功率放大器并列安装，移相单元向内弯曲，以便两输出臂端口在一条线上。

2仿真结果与分析

为了减小各路幅度、相位差异，应避免各传输线的耦合，因此各传输线之间的距离要大于介质基片厚度的3倍，最后以各输出端口的插入损耗和相位差作为控件“Goal”优化目标，通过仿真优化控件“Optim”微调微带线的长宽，得到其仿真结果如图3、图4、图5和图6所示。