一种宽带Wilkinson功分器的快速设计

王丹

【摘  要】文章设计了一款工作频率为0.6～2GHz的射频宽带Wilkinson功分器。该功分器采用3枝节阻抗变换器级连的方式來实现带宽要求，利用ADS软件进行设计、仿真、优化，实现了在0.6～2GHz的宽带功分器的快速设计。

【关键词】Wilkinson;功分器;ADS

1 前言

随着无线通信系统的发展，人们对宽带射频器件性能要求越来越高。功分器在微波毫米波系统中占据了非常关键的作用，它并广泛的应用到航空航天、卫星等各种各样的领域之中。ADS软件中的各种仿真器为快速设计功分器提供了便捷。

2.Wilkinson功分器结构的基本原理

二等分的Wilkinson功分器的基本结构如图1所示，从Port1右起，可以看成是将信号功率一分为二的分路器;如果从Port2，Port3往左看，则可以认为它是将两路的信号功率合成更大功率信号的合路器。功分器要求在需要的频率范围，其输出信号按照指定的功率分配。另外，R可以看成隔离电阻，以保证功分器的2，3端口之间较高的隔离度。功分器关于电阻是对称的，且微带线的特征阻抗为Z01=2Zn，长度为入/4，这就保证了两路信号经过的电长度相同，同时在输出端口也保证了相同的幅度和相位，这个时候的隔离电阻不会消耗信号能量。匹配使得各输入输出端口的反射系数尽可能的小。Wilkinson功分器不仅具有良好的幅度相位特性而且设计简便，是射频功率合成、天线阵列、混频器等微波电路设计中重要的组成部件。

3.宽带Wilkinson功分器的传统仿真设

根据带宽要求，计算宽带功分器的级数，再根据计算公式计算每级阻抗。利用ADS软件的初步综合出该功分器的原理图，包括微带各枝节的特征阻抗及隔离电阻的阻值等，再利用其优化的功能进行优化仿真设计。根据原理图优化好的结果，在ADS软件里生成版图，再通过手动布局，通过手动调节优化，最终确定版图的布局。

已知带宽和功分器的终端系数R，可计算除Tchebyscheff阻抗变换器的节数n。本论文设计的宽带功分器频率为0.6～2GHz，各级枝节阻抗可阻抗计算公式求得，也可查表直接得出。

4.宽带Wilkinson功分器的快速设计

本文章利用ADS的优化工具提供了一种快捷设计方法。根据二等分功分器的结构，可以把电路看成完全对称的两个支路。支路各级阻抗设置为不同变量，对任意一条支路仿真S参数，设置优化目标分别为S11、S21、S22，其中S11端口阻抗设置为100Ω，S22端口负载阻抗设置为50Ω，利用ADS中的OPTIM优化工具进行优化，得到各级阻抗。再根据阻抗设计完整的功分器电路，各级隔离电阻设置为变量，再对隔离度进行优化仿真。电路图如图2所示。

插入VAR控件，设置优化参数，文中针对每节阻抗变换器的微带线长度和宽度设计了几个优化参数如图3所示。

文中总共设置了几个优化目标，分别为S11、S21、S31、S32。由于电路的对称性，其他S参数不再设置优化目标，S11为公共端口回波损耗，S32为两个等功分输出端口间的隔离度。S21，S31为输入输出端口间的插损。双击Goal控件对目标进行参数设置。

经过一系列数据的的优化使其达到了最优结果，最后调用数据演示窗口得到相应指标如图4所示。

本文采用多节阻抗变换器级连的方式，设计的0.6～2GH一分二威尔金森功分器，采用了ADS仿真软件来辅助仿真，其插损S21、S31都小于3.1dB，驻波系数小于1.4dB，隔离度大于-18dB，能够较好的用于各种射频微波系统进行功率分配。

参考文献：

[1]饶睿楠，高永强. 宽带功分器的设计与仿真[J].火控雷达技术，2008（9）：70-73.

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