宽带功率分配器的设计

摘要：基于威尔金森功率分配器理论，本文设计了一种应用于宽频带系统的微带功率分配器，其实现形式简单，易于工程上实现标准化、模块化，适用需要工作频段较宽的系统中。

关键词：宽带;微带线;功率分配器

0 引言

在射频电路中，经常有将某一个输入功率的射频信号按一定功率比例分配到多个支路电路中的使用需求。例如在多路中继通信设备中常常需将本振信号功率分配到接收和激励的混频电路中进行混频处理;在雷达系统中需将激励射频信号放大至一定幅度后分配到发射模块作为其输入激励信号。常用的射频功分器主要采用腔体、带状线和微带线等方式实现，因微带线具有小型化、轻量化、生产成本低和可靠性等优点，固本文所设计的功分器将采用微带线的形式。

1理论分析

1.1微带线理论[1]

微带线由介质基片以及两边的导体带和接地板所构成，随着微波低损耗介质材料和微波半导体器件的快速发展，形成了微波集成电路，也促进了微带线的蓬勃发展。微带线一般用薄膜工艺制造，介质基片选用介电常数高、微波损耗低的介质材料，导体带具有导电率高、稳定性好、且与基片的粘附强等特点。微带线的几何结构及电磁场分布如图1所示，图中一条宽度为W的导体带放置在厚度为h的介质基片上，介质基片与接地板保持良好接触。

（a）几何结构

（b）电磁场分布

根据图1微带线的电磁场分布可知，微带线传输特性为准TEM波（即横电磁波），对于TEM波，根据长线方程，传输线的特性阻抗

式中，L0 为传输线的分布电感，C0为传输线的分布电容。

当传输线全部处于空气或者真空中时，相速vφ与光速C相等，当传输线全部处于相对介电常数为εr的介质中时，则。

因此，微带线的特性阻抗

式中，Z0为传输线的特性阻抗，Z00为微带线的特性阻抗，εr为介质基片的有效介电常数。

在计算微带线的特性阻抗时，一般先求同尺寸的空气微带线的特性阻抗，再根据公式（1）和介质基片的有效介电常数εe来求得。

本文中

εe=1+q（εr-1）（5）

q为填充系数，表示介质填充程度，本文设计选用的为介质全部填充，因此q=1，εe=εr，在已知微带板材介电常数与厚度的情况下，根据公式（2）和公式（3）可以计算出微带板材传输线特性阻抗的微带线宽度。

1.2 单节威尔金森功率分配器理论

威尔金森功率功率分配器和其他微带电路元件一样，功分器也有一定的频率响应特性，根据其工作带宽来分可以分为单节和多节功分器。

单节威尔金森功率分配器结构和分析计算都较为简单，一分二单节威尔金森功率分配器如图2所示，其输入和输出微带线特性阻抗都是50 Ω，输入输出口之间为分支线特性阻抗Z1，分支线长为中心频率波长λg的1/4。对功分器的要求为：当2、3端口接50 Ω匹配时，在输入端1无反射;同样如果在输入端接50 Ω匹配时，输出2、3端口无反射。为满足输入端无反射的条件，需在2、3输出端口接匹配，经λg/4反映到1端口的并联导纳为2Z0/Z21。若要满足匹配条件，则2Z0/Z21=1/Z0，因为是二等分，因此，Z1=Z2==70.7（Ω）。跨接A、B两点之间的隔离电阻R吸收2、3端口之间互相作用的能量，当射频信号从1端口输入时，如果A、B两点等电位，则R上没有能量，不起作用;当2端口有信号反射回来时就会达到3端口，从而影响功分器的隔离度指标。R的取值为经验公式R=Z21/Z0，因为是等分，因此/Z0=2Z0=100（Ω）。

以上分析的是单节一分二功分器的设计，因微带线的频率响应特性，该类型功分器适用于工作带宽为中心频率10%以内的窄带功分器。

1.3 多节威尔金森功率分配器理论

本文所设计的功分器使用的频率范围为600 MHz～6000 MHz，远远超出单节功分器工作范围。为满足功分器的工作频率范围，和其他一些宽频带器件一样，采用多节阻抗变换的方式，增加功分器的阻抗变换节数，增加λg/4线段和相应的隔离电阻的数目。一个N节宽带等分功分器的一般形式如图3所示。

在N节二等分功分器中，各节的特性阻抗Z1，Z2，…，ZN数值可由偶模等效电路按λg/4阶梯阻抗变换器合成法求得，对于隔离电阻R1，R1，…，RN，同样可以采用阶梯阻抗变换器的分析方法求得。本文功分器工作频率范围600 MHz～6000 MHz，相对带宽=1.64，通过查表需要七节功分器才能满足相对带宽，七节功分器的特性阻抗及隔离电阻的归一化值如下表1所示。

2设计与仿真

2.1印制板设计

本文使用的微帶板材的介电常数εr为3.5，介质板厚度h为0.762 mm，功分器使用的匹配负载为50 Ω，带入公式（3），计算得到50 Ω微带线宽为1.67 mm。本文设计的七节二等分宽带功分器的设计步骤为：

a）根据表1中七节阻抗变化特性阻抗Z的归一化阻抗值，可得到对应的微带线宽度。特性阻抗：Z1：1.13*50，Z2：1.21*50，Z3：1.30*50，Z4：1.13*50，Z5：1.13*50，Z6：1.13*50，Z7：1.13*50。再将介电常数εr为3.5，介质板厚度h为0.762 mm带入公式（3），计算出功分器各变换节的对应线宽。同时根据表1 中七节阻抗变化隔离电阻值的归一化阻抗值，得到对应的变换节隔离电阻值。R1：8.85*50，R2：12.32*50，R3：8.92*50，R4：6.40*50，R5：4.35*50，

R6：2.59*50，R7：4.97*50。将得到的数据按图3所示，在ADS射频仿真软件中对功分器进行建模，建模时需注意，宽带功分器两臂之间的距离应根据宽带功分器所使用隔离电阻的封装尺寸大小来确定，两臂之间的间距不宜过大，一般控制在3倍微带线宽度以内，这样可以有效地降低跨接在功分器两臂之间的隔离电阻所带来的寄生效应。考虑到实际加工误差，在1：2宽带功分器输入口加一段低阻抗的变换段，以增加微带线变换节的线宽，后续作为调试预留手段，尽量减少加工误差的影响。建模后的宽带功分器如图4所示。

b）通过ADS仿真功分器的S参数，在仿真过程中，可根据仿真结果对微带线参数和隔离电阻值进行微调。宽带功分器ADS仿真模型的S参数仿真数据如图5所示。

2.2屏蔽盒设计

宽带功分器的屏蔽盒主要起电磁屏蔽作用，同时也对宽带功分器的印制板起机械保护和环境保护作用，常规的微带电路盒体一般采用铝合金作为盒体材料，本文直接借用已有5A05铝合金做成的屏蔽盒。屏蔽盒除了需要牢固、屏蔽良好外，还需避免对功分器电路中电场的扰动，最好做到盖板离电路的距离在5～10 h以上（h为印制板基片厚度）。最靠边缘的导体带条距屏蔽盒侧壁的距离应在3 h以上，注意避免工作频率接近屏蔽盒的谐振频率，以防出现部分能量被吸收，造成衰减尖峰，从而影响功分器在该频率的性能。如果产生了谐振，可采取金属化过孔隔离栅来去除腔体谐振的影响，本文所设计的功分器外形尺寸为70 mm（长）×50 mm（宽）×20 mm（不包含连接器）。

3调试与测试

本文所设计的宽带功分器的频率范围最高已達6000 MHz，因条件限制，采用螺钉将微带板安装在腔体内，但由于功分器的频率高端已达6000 MHz，螺钉安装方式不能使微带板背面完全接地，影响了功分器的接地效果，带来的结果是功分器在频率高端时，因接地效果恶化而影响功分器的驻波系数。如条件允许，建议采用将整个印制板直接焊接在屏蔽盒内的方法，以增强微带印制板的接地效果。同时为了降低隔离电阻带来的匹配性影响，隔离电阻尽量焊接在λg/4变阻器和输出线的交界处。该宽带功分器的实测数据结果如图6所示。各端口电压驻波比不大于1.5;输出端口幅度一致性不大于±0.3 dB;输出端口相位一致性不大于10°;输出端口之间隔离度不小于16 dB。功分器主要技术指标，基本满足一般使用要求。

4结论

本文中设计的功分器具有体积小、重量轻、承受功率大、一致性好、性价比高等特点，本文中设计的功分器其覆盖移动通信频率与WIFI应用频率的设计，便于实现标准化、模块化和通用化，也易于批量生产，能够很好地应用于目前的通信系统中。

参考文献：

[1]清华大学《微带电路》编写组. 书名.北京：清华大学出版社，1972

作者简介：王兵   男，1984年04月，毕业于电子科技大学，本科，雷达设计;周连成 男，1993年03月，毕业于南京理工大学，研究生，雷达总体设计;周晓花 女，1982年12月，毕业于南京邮电大学，本科，雷达设计;彭涛，男，1989年02月，毕业于东北大学，本科，雷达设计。