一种宽带一分四Wilkinson功分器的设计与实现

王晓鹏，刘 畅，孙泽月，陈 林，姚武生，2

(1.博微太赫兹信息科技有限公司 太未来实验室，安徽 合肥 230088；2.中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

0 引言

功分器是一种微波无源器件，用于功率的分配或者组合，功分器广泛应用于各种通信、雷达微波系统当中。随着现代无线通信技术的发展与应用，有些设备必须使用一些宽带高频的功分器，研发宽带、高频段的功分器变得尤为重要，目前有很多单位对宽带的功分器进行了研究[1-7]，但对工作在Ka波段及以上的功分器研究甚少。

若传统的Wilkinson功分器工作在K波段以上，其隔离电阻的安装会遇到很大的挑战[8-10]，并且普通电阻在高频段的寄生效应更为严重，影响了功分器在高频段的性能。本文功分器选用的电阻为薄膜芯片电阻，它选用的电阻材质为TaN，基片材质为Al2O3，该电阻的寄生参数较小，使用频段最高可至50 GHz，同时具有防潮的性能，该电阻表面有纯金电极，适合金丝、金带以及导电胶粘接等微组装工艺。将使用薄膜工艺制作的电阻应用到Wilkinson功分器的设计当中，可大大提高功分器在高频段的性能。

1 Wilkinson功分器

功分器的类型可分为波导功分器、微带功分器和SIW功分器，其中微带功分器又可分为T型结功分器、电阻性功分器和Wilkinson功分器。其中Wilkinson功分器由于输出端口具有较高隔离度的优势而被广泛应用。

有耗的三端口网络能制成全部端口匹配，并在输出端口之间有隔离[11]。Wilkinson功率分配器[12]是这样一种网络：当输出端口匹配时，它仍具有无耗的有用特性，只是耗散了反射功率。

一种简单的一分二单节Wilkinson功分器结构如图1所示，其中1端口为输入端口，2、3端口为输出端口。输入阻抗为Z0，2个输出端口的负载阻抗分别为Z2，Z3。为了使负载阻抗与功分器匹配，2路功分上都采用了1/4波长阻抗变换器，特性阻抗分别为ZC2，ZC3。输出2路端口中间的电阻为隔离电阻，它的作用是如果输出端口有能量反射回来，则经过电阻消耗掉而不影响另一端的输出。

图1 单节Wilkinson功分器结构示意Fig.1 Structure of single section Wilkinson power divider

Wilkinson功分器的设计公式为：

Z2=kZ0，

(1)

Z3=Z0/k，

(2)

(3)

(4)

R=kZ0+Z0/k，

(5)

式中，k2为2个输出端口的功率比。

以上介绍的是单节Wilkinson功分器，但是当工作频段较宽时，单节Wilkinson功分器的指标会恶化，这时需要采用多节的Wilkinson功分器[13]，通过多节的1/4波长阻抗变换传输线来实现阻抗变换作用，从而展宽功分器的工作带宽。同时，为了保证输出端口的隔离特性，每一节1/4波长阻抗变换传输线之间也要接隔离电阻。多节Wilkinson功分器如图2所示。

图2 多节Wilkinson功分器结构示意Fig.2 Structure of multi-section Wilkinson power divider

图2中，Z1，Z2，Z3，Z4为各节1/4阻抗变换的阻抗值，R1，R2，R3，R4为各节中间的隔离电阻。在多节阻抗变换中，若各阶梯阻抗产生的反射波彼此抵消[14]，便可以使匹配的频带变宽。由此可知，选用Wilkinson的节数时，节数越多，功分器的工作带宽也就越宽，但功分器的损耗会随着引入的节数的增加而增加。要实际考虑在给定尺寸以及指标要求等条件下而选择功分器的节数。

2 仿真优化与实现

2.1 仿真优化

根据以上分析，使用电磁仿真软件建模仿真了一款工作在19～31 GHz的一分四路功分网络，如图3所示。设计指标为：端口的驻波小于2.0，端口的插入损耗小于10 dB，端口的隔离度大于15 dB。

图3 一分四功分器仿真模型Fig.3 Simulation model of one-four power divider

选择用两级一分二功分器来实现一分四，每一级一分二功分器采用2节的Wilkinson功分器来实现，2节阻抗变换处采用葫芦式的微带线布局，基板使用常用的板材RO4350B，介电常数为3.66，厚度为10 mil。仿真时需要设置TaN电阻：

R=ρL/(Wt)，

(6)

式中，R为电阻值；ρ为电阻材料的体积电阻率；L为电阻薄膜的长度；W为电阻薄膜的宽度；t为电阻薄膜的厚度，通常为设计方便，假设电阻薄膜的长度和宽度相等，此时的设计电阻为50 Ω。通过改变电阻薄膜的长宽之比来改变电阻阻值的大小。

图4给出了各端口的驻波仿真结果，Port1为输入端口的驻波，其余为4个输出端口的驻波，在工作频段内，输入驻波基本在1.6以内，输出驻波仿真效果较好，都在1.2以内。

图4 一分四功分器各端口驻波仿真结果Fig. 4 Standing wave ratio simulation results of the one-four power divider of each port

图5给出了输出各个端口的插入损耗仿真结果，可以看出幅度一致性以及带内平坦度都较好。

图5 一分四功分器输出端口插入损耗仿真结果Fig.5 Simulation results of insertion loss of output port of one-four power divider

图6给出了输出相邻端口的隔离度仿真结果。

图6 一分四功分器相邻端口隔离度仿真结果Fig.6 Simulation results of isolation of adjacent ports of one-four power divider

从仿真结果可以看出，2，3端口之间和4，5端口之间的隔离度基本都在17 dB以上，大部分频段都在20 dB以上，3，4端口之间的隔离度要优于2，3端口之间的隔离度，3，4端口之间的隔离度在整个频段内都在23 dB以上。综合以上仿真结果，功分器的各项性能都达到了指标要求。

2.2 容差分析及加工

对于频率较低的微带线Wilkinson功分器来说，加工精度没有过多的要求，但是对于工作于Ka波段的功分器来说，微带的加工精度对性能的影响变得更重要，需要对其进行容差分析，依此来判断现有加工精度是否能满足指标要求。影响本文设计功分器的指标主要是微带线的宽度，它包括50 Ω微带线的宽度、2节阻抗变换处的微带线宽度。

下面给出了以上微带线宽度变化在±0.02 mm时，功分器的容差最差仿真结果。这里主要给出输入端口的驻波以及2，3端口之间的隔离度的容差最差仿真结果，如图7和图8所示。从图7可看出，在整个频段内，输入端口的最差驻波在1.8以内。从图8可以看出，容差对功分器的隔离度影响不明显，隔离度都在15 dB以上。

图7 一分四功分器输入端口驻波容差最差仿真结果Fig.7 The worst simulation results of standing wave tolerance of the input port of the one-four power divider

图8 一分四功分器输出相邻端口隔离度容差最差仿真结果Fig.8 The worst simulation results of isolation tolerance of the output adjacent ports of the one-four power divider

由容差仿真结果可知，现有加工精度能满足需求。根据此精度绘制功分器PCB加工文件，通过三维绘图软件绘制的一分四功分器的测试工装三维加工模型如图9所示。

图9 一分四功分器的测试工装三维加工模型Fig.9 Three dimensional machining model of test fixture of one-four power divider

3 实物及测试结果

根据仿真模型，进行实物加工，一分四功分器的加工实物如图10所示。

图10 一分四功分器加工实物Fig.10 Actual one-four power divider

由于功分器的工作频段比较高，功分器的接口采用的是可拆卸的2.92 mm连接器加射频绝缘子的连接方式，同时功分器的壳体上留有空气腔，以对射频绝缘子和微带在连接时产生的不连续性进行补偿[15]，通过这种补偿方式可以改善端口的驻波。为了验证这种补偿方式的效果，下面给出了有/无补偿方式的背靠背结构仿真结果对比，并做了实物小样进行测试。图11给出了有/无补偿结构的接口仿真模型，图12为有补偿结构的背靠背接口加工实物。有/无补偿结构仿真和测试结果如图13所示。由图13可以看出，加补偿结构可以改善端口的匹配性能，在19～31 GHz时，有补偿端口的实测驻波都在1.4以内。实测插损较仿真大了1 dB左右，这是由于引入的连接器带来的额外插损。

(a)有空气腔补偿

图12 有补偿结构加工实物Fig.12 Processed material with compensation structure

图13 有/无补偿结构仿真和测试结果Fig.13 Simulation and test results of with/without compensation structure

一分四功分网络的各端口驻波实测结果如图14所示，在工作频段内，输出驻波都小于1.6，输入驻波都在1.5以下，实测驻波和仿真的差别可能是由于板子加工和装配误差以及仿真设置的理想电阻与实际的薄膜芯片电阻有所区别导致的。功分网络的各输出端口的插入损耗如图15所示，在31 GHz以内时，功分器的各端口插入损耗基本都在10 dB以内，各端口的幅度一致性较好，插损实测结果要比仿真结果高2 dB左右，这是由空气腔的补偿结构以及连接器的损耗带来的。图16给出了功分器输出相邻端口的隔离度实测结果，从测试结果可以看出，在17～33 GHz频带内的隔离度都在17 dB以上，在21～28 GHz频带内隔离度达到了20 dB以上。3，4端口之间的隔离度在整个频段内都在27 dB以上，隔离度测试结果超过了指标要求的15 dB。总体来说，功分器的各项指标的实测结果与仿真结果吻合较好。

图14 一分四功分器各端口驻波实测结果Fig.14 Measured results of standing waves at each port of a one-four power divider

图15 一分四功分器输出端口插入损耗实测结果Fig.15 Measured results of insertion loss at the output port of a one-four power divider

图16 一分四功分器相邻端口隔离度实测结果Fig.16 Measured results of isolation degree of adjacent ports of a one-four power divider

4 结束语

利用Wilkinson基础理论设计了一款宽带可工作至31 GHz的一分四功分器，通过将传统的电阻替代为利用薄膜电阻工艺制作的TaN电阻，使得功分器在较高频段也能保持较好的隔离度。测试结果显示，在19～31 GHz整个工作频段范围内，功分器的隔离度在19 dB以上，功分器的各输出端口驻波在1.6以内，输入端口的驻波在1.6以内，插入损耗小于10 dB。总体来说，功分器的性能满足指标要求。本文对运用薄膜芯片电阻来设计类似的Ka波段的微带功分器提供了一定的参考价值和指导意义。