基于Wilkson结构的宽带功分器设计与实现

2021-06-02蒙飚

柳州职业技术学院学报 2021年2期

蒙飚

（柳州职业技术学院，广西柳州 545006）

0 引言

功分器全名叫功率分配器，是一种重要的微波器件[1]，可以将一路输入信号能量，按不同的应用场景分成两路或多路输出相等或不相等能量的器件[2][3]。功分器的性能指标参数包括工作的频率范围、输入和输出驻波、插损、隔离度、相位平衡、幅度平衡等，这些性能的优劣决定了功分器的优劣[4][5]。一个好的功分器设计，能够在性能和产品成本上找到一个完美结合点，这也是该款产品能否具备市场竞争力的关键所在。本文设计的是两路等功分的宽带功分器，设计该器件时选用的传输线为εr=2.17的带线，隔离电阻为0603封装的薄膜电阻，采用的是Wilkson形式，以标准带线3GHz－18 GHz宽带功分器的设计方案实现了该器件各项主要指标的升级。

1 宽带功分器的设计目标

本文设计的宽带功分器采用Wilkson结构，能够兼容HEMT管和HBT管且符合如下主要技术指标：

（1）工作的频率范围：3GHz－18 GHz；

（2）输入、输出驻波：≤1.6；

（3）插损：≤4 dB；

（4）隔离度：≥15 dB；

（5）相位平衡：≤6°；

（6）幅度平衡：≤0.6 dB。

2 宽带功分器的设计思路和理论分析

采用Wilkson结构设计此功分器主要包括两方面的工作：一是根据指标确定所需的节数和计算每一节的特性阻抗值；二是进行隔离电阻的设计与优化以提高功分器的隔离度，并兼顾调整功率器其他相关指标。在整个设计工作中充分应用微波办公室和ADS软件进行辅助设计。

2.1节数和特性阻抗值的确定

本设计要求的频宽为f2/f1=6，输入端的驻波比≤1.6，输出端的隔离度≥15 dB，通过查相关文献可知所需要的节数N≥3。该N可以选择4或5或6等等，为了更好介绍设计方法，这里我们选取N=4进行相关设计和分析，然后将功分器的S参数作为优化目标利用ADS应用软件进行优化仿真。其中，S21、S31是传输参数，利用微波电路EDA的ADS软件内可以实现，两个参数反映传输损耗；S11、S22、S33在微波电路EDA的ADS软件内分别是输入输出端口的反射系数，S23在微波电路EDA的ADS软件内反映了两个输出端口之间的隔离度。

两功分器作为一个三端口器件，在电路分析时我们采用偶型及奇型电路分析法。对此4节阻抗变换器我们采用切比雪夫响应来设计，通过对偶型等效电路的计算分析可以得出4节的特性阻抗分别为：R1=56欧姆，R2=65欧姆，R3=77欧姆，R4=89欧姆。根据选用的带线参数（εr=2.17,B=1.6mm,T=0.0127mm）和中心频率，由带线计算工具就可以很容易地计算出各1/4波长变换器的长度与宽度，同时计算出功分器两边特性阻抗为50欧姆的带线引出线的宽度。下面的工作就是运用微波办公室对上面的理论计算值进行优化，仿真时我们以S参数作为优化目标，对1/4波长变换器部分的长度或宽度进行反复调整，从而得到最优化的1/4波长变换器的尺寸。另外，为了在满足尺寸的要求下使得拐角处的反射尽量地小，我们将分支接头作为一个器件单独进行设计分析。

需要指出的是，由于我们的设计频率已经到Ku波段，同时我们选用的隔离电阻为0603的薄膜电阻，所以当两带线之间的距离以薄膜电阻的长度0.6mm设计时，其耦合是不可忽略的，在建立电路模型时应选用耦合线设计。在此基础上设计出的功分器的结构如图1所示。

图1 宽带功分器的初步结构框架设计图

2.2隔离电阻的设计

一般来讲，隔离电阻是通过在3GHz-18 GHz工作频段范围内令奇型电路与偶型电路的反射系数Γ在几个频率点上相等（即使得在这几个频率点上有无限大的隔离），然后使Γo和Γe都取很小的数值来进行设计的。但是，这个计算量是非常大的，我们可以借助微波办公室的优化功能建立如图2所示的电路模型对隔离电阻进行综合设计。电阻的初始值可以通过查表得到，通过AWR具有的手动调谐功能可以获得满足条件的隔离电阻值。最后，还应对1/4波长变换器的长度进行手动微调，综合优化设计得到最佳带线尺寸，以达到更好的指标要求。

图2 隔离电阻电路图

2.3宽带功分器的总体设计

通过节数、特性阻抗值的确定和隔离电阻的设计，本文设计完成的功分器结构如图3所示。其中隔离电阻的值分别为R1=50欧姆，R2=105欧姆，R3=250欧姆，R4=450欧姆，在实际电路调试时电阻还要做一些调整。我们设计出的50欧姆带线的宽度为1.3mm，4节阶梯变换带线的宽度分别为0.6mm、0.85mm、1.05mm、1.2mm。带线的具体尺寸可参见AutoCAD中的div2.dwg文件。

图3 基于Wil kson结构的宽带功分器（含隔离电阻）结构图

3 宽带功分器测试

本文设计的功分器，利用ADS软件进行仿真测试。创建ADS工程文件并生成功分器的原理图，按设计图对仿真软件的相关电路参数进行设置，特别是对仿真电路的S参数进行设置，通过仿真软件不断优化电路性能目标以使得参数不断优化，最终获得最优S参数曲线。本文设计的功分器的S参数曲线如图4和图5所示，可以看出，按本文设计方案所设计的功分器是符合指标要求的。