一种微带一分八Wilkinson功分器的设计与实现*

程光伟 胡 杰

(西安工业大学电子信息工程学院 西安 710032)

一种微带一分八Wilkinson功分器的设计与实现*

程光伟 胡 杰

(西安工业大学电子信息工程学院 西安 710032)

通过对传统Wilkinson功率分配器和四分之一波长阻抗变换线进行分析，研究并设计了一种微带线Wilkinson一分八功分器。对设计的功率分配器进行ADS和HFSS协同仿真，通过比较仿真和测试结果，两者基本一致，在15.75GHz～16.25GHz频率范围内端口驻波比小于1.4，在16.25GHz～16.75GHz频率范围内端口驻波比小于1.4，端口隔离度大于21dB，插损小于0.7dB。

Wilkinson功分器; ADS; HFSS; 隔离度

Class Number TP391.9

1 引言

功分器全称功率分配器，是一种将一路输入信号功率分成两路或多路的等分或不等分功率输出的一种多端口无源微波网络，相反它也可以将多路信号进行功率合成。在微波系统中，需要将发射功率按一定的比例分配到发射单元，因此功分器在微波系统中有着广泛的应用。它的性能好坏直接影响着整个系统的能量分配和合成效率。随着技术的进步，功分器的研究朝着宽频带、小型化、低功耗方向发展。

Wilkinson功分器是一种常见的功率分配器，因其具有良好的幅度相位特性和简洁的设计，在实际工程中有着广泛的应用。本文介绍的一分八Wilkinson功分器是在一分二功分器的基础上通过级联而成。考虑到各个阻抗变换段的长度和隔离电阻的安装位置，功分器在四分之一波长阻抗变换段采用“蛇形”布局，使功分器设计更紧凑。在原理推导的基础上说明其工作方式，紧接着完成了ADS设计及仿真，并使用HFSS进行了三维电磁仿真，根据得到的数据制作了实物，最后使用网络分析仪进行实测，获得的结果与仿真数据比较吻合。

2 Wilkinson功分器基本原理

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，而工程上对信号的隔离要求很高，所以需要采用混合型的功率分配器，即Wilkinson功分器。Wilkinson功分器的工作原理是在简单功分器中引入隔离电阻，从而实现了信号链路的匹配和高隔离度。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和带状线来实现。

图1 Wilkinson功分器基本结构图

图中，Z0是特性阻抗，λg是信号的波导波长，R是隔离电阻。当信号从左端的一号端口输入时，功率从二号端口和三号端口等功率输出。如果有必要，输出功率可按一定比例分配，并保持电压同相，电阻R上无电流，不吸收功率。若二号端口或三号端口有失配，则反射功率通过分支叉口和电阻两路到达另一支路的电压等幅反相而抵消，在此点没有输出，从而可保证两输出端口有良好的隔离。

考虑一般情况(比例分配输入功率)，设三号端口P3和二号端口P2的输出功率比为k2,即

(1)

由于一号端口到二号端口与一号端口到三号端口的线长度相等，故二号端口的电压U2与三号端口电压U3相等，即U2=U3。二号端口与三号端口的输出功率与电压的关系为

(2)

将式(2)代入式(1)，得

(3)

即

Z2=k2Z3

(4)

式中，Z2、Z3为二号端口和三号端口的输入阻抗。

若选择

(5)

则可以满足式(4)。为了保证一号端口匹配，应有k-2:

(6)

同时考虑到

(7)

则有

(8)

因此可得到

(9)

为了实现二号端口和三号端口的隔离，即二号端口或三号端口的反射波不会进入三号端口或二号端口，可选择

(10)

在等功率分配的情况下，即P2=P3，k=1,有

(11)

为了增加隔离度，在两路输出之间添加一个R=2Z0的电阻。

3 Wilkinson功分器的设计

本文所设计的功分器技术指标如下:

工作频率为15.75GHz～16.75GHz，插损≤1.5dB，幅度不平衡度≤±0.3dB，驻波≤1.4，相位≤±2.5，隔离度≥20dB；功率容量≥30W，尺寸小于112mm*21mm。

为了满足设计要求，本文对微带设计部分进行了改进，在保证微带间耦合较小的前提下对阻抗变换段采用蛇形走线，使其在较小的尺寸下满足λ/4阻抗变换要求，同时有利于隔离电阻的放置，使得整个设计更为紧促，尺寸更小。

考虑到工作时的功率容量，介质基板选用Rogers5880,其相对介电常数为2.2，厚度为0.254。通过ADS的LineCalc工具可以计算出在中心频率16.25GHz时，特性阻抗Z0=50Ohm的传输线宽度和四分之一波长线在70.7Ohm的传输线宽度，得到上述初始值之后在ADS中通过一分二功分器级联得到所需的一分八功分器。为了能够进一步优化功分器性能，对一分八功分器模型中各段长度和半径设置变量，通过大量仿真优化得到最终的原理图如下所示。

一分二及一分八功分器原理图如下:

图2 一分二功分器ADS原理图

图3 一分八功分器ADS原理图

在进行ADS参数优化之后，根据ADS最终定型的参数进行了HFSS仿真，其仿真模式如图4所示。

图4 HFSS仿真模型

4 一分八功分器仿真结果

图5 回波损耗仿真结果

分别利用ADS和HFSS软件对功分器回波损耗、隔离度、端口驻波比及幅度相位关系进行仿真分析，相关的仿真结果如图5～11所示，其中图5～7为ADS仿真结果，图8～11为HFSS仿真结果，从图中可以看出ADS仿真结果较好，均达到了设计要求，而HFSS因建模更接近于真实情况，考虑因素更多，其仿真结果没有ADS仿真结果好，其输入端口驻波比≤1.32，输出端口驻波比≤1.3，隔离度≥20dB,幅度≤0.04dB,相位≤±0.7°满足设计要求。

图6 插入损耗仿真结果

图7 输出端口间的隔离度

图8 端口驻波比仿真结果

图9 输出端口之间的隔离度

图10 输出端口的幅度关系

图11 输出端口的相位关系

5 实物制作与测试

实物加工采用Rogers5880作为介质基板，相对介电常数为2.2，基板厚0.254mm,通过焊接电阻实现端口隔离，结构采用铝材料制成。

图12 功分器实物图

表1 功分器测试结果

各端口连接SMA端头，使用Agilent矢量网络分析仪对样品进行测量，结果如表1所示。从表中可以看出，测试结果与HFSS仿真结果较为接近，各项指标满足设计要求。

6 结语

本文在分析一分二Wilkinson功分器的基础上，研究并设计了一分八功分器。并加工了实物，测试结果和仿真结果较为接近，达到了设计指标要求。因功分器工作在Ku波段，考虑到各个阻抗变换段的长度和隔离电阻的安装位置，功分器在四分之一波长阻抗变换段采用“蛇形”布局，缩小功分器尺寸的同时也有利于隔离电阻的焊接，同时进行了ADS原理图仿真和HFSS电磁仿真，通过对数据进行分析和不断的优化，最终确定实物设计参数，在设计的过程中，因为HFSS对实际情况进行建模，仿真更加接近真实情况，仿真结果也更为可信。同时对实物的性能有一定的预见性。今后的研究方向是在现有的基础上提高功分器的频带宽带和隔离度。

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Design and Implementation of a 1-to-8 Wilkinson Microstrip Power Divider

CHENG Guangwei HU Jie

(School of Electronic Information Engineering，Xi’an Technological University, Xi’an 710032)

By analyzing the traditional Wilkinson power divider and quarter impedance transformer，a microstrip Wilkinson power divider is researched and designed. The designed power divider is simulated based on ADS and HFSS. By compared simulating and testing, the results of ADS and HFSS reach consensus. From 15.75GHz to 16.25GHz frequency range, the port VSWR is less than 1.4. From 16.25GHz to 16.75GHz frequency range, the port VSWR is less than 1.4, the isolation is more than 21dB, insertion loss is less than 0.7dB.

Wilkinson power divider, ADS, HFSS, isolation

2016年9月10日,

2016年10月29日

程光伟,男,副教授,研究方向:通信与电子信息专业领域的教学及研究工作。胡杰,男,硕士研究生,研究方向:射频功放。

TP391.9

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.03.035