一种C波段一分八微带功分器的设计

马 瑞

（北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070）

1 概述

功分器是一种在铁路通信系统中被广泛应用的无源器件，其基本功能是将一路输入信号能量分成两路或多路输出相等或不相等的能量。逆过程即为功率合成器。微带形式的功分器具有体积小、易集成等优点，但也受到微带带宽窄的限制。为增加微带功分器的带宽，可以通过多节阻抗变换实现，不同阻抗变换可以产生更多的谐振点，当两个谐振点距离很近且在微带功分器中心频率附近时，就达到了增加目标频率带宽的目的。本文考虑想要覆盖的带宽范围，设计了两节传输线和两个不同的隔离电阻的结构，这种结构不仅能增加带宽，还可以增加两个相邻端口之间的隔离度。

两节一分二等分功分器结构，如图1所示。这个两节一分二等分功分器主要由两对λ/4线段以及两个桥接隔离电阻组成。两节传输线阻抗变换器在中心频率为f时的特性阻抗分别为Z1和Z2，隔离电阻为R1和R2，宽带功分器频率范围为f1～f2。

图1 Wilkinson功分器结构Fig.1 Structure of Wilkinson power divider

根据微带电路理论以及公式（1）、（2）、（3）可得：Z1=82 Ω、Z2=61 Ω、R1=98 Ω、R2=241 Ω。利用传输线计算工具，输入介质介电常数、厚度、损耗角正切值，中心频点等参数，可以计算每段传输线的初始线宽，传输线长度约为λ/4，将这些值设为仿真初始值，通过实际建模仿真优化可以确定两节二等分功分器的尺寸。一分八的功分器可以由三个一分二的功分器级联组成。

2 一分八功分器的设计与仿真

根据功分器各端口距离的远近，设计两种功分器形式。功分器均采用介电常数εr=2.2，厚度为0.508 mm的Rogers5880的板材，馈电形式采用同轴馈电，设计仿真包含微带到同轴的过渡。

功分器的参数主要包括端口反射系数、相邻端口隔离度、输出端口幅度和相位的一致性。端口反射系数为反射波与入射波的振幅比，端口反射系数影响输出信号的大小，相邻端口隔离度越大表示端口之间泄漏和干扰越小，输出端口的幅度和相位是否一致反映功分器是否为等分的功分器，其中输出端口的幅度还可以反映出功分器的损耗，由于本文设计的功分器为一分八等分功分器，理想状态下八等分功分器的分配损耗为9 dB,实际的功分器输出端口的幅度越接近9 dB,说明损耗越小。

设计的两种功分器仿真结果如下。

1）功分器各端口距离较近时，结构如图2所示。功分器的仿真结果如图3所示，从仿真结果可以看出，在5.15～5.85 GHz的频率范围内，功分器反射系数小于-14.5 dB，各端口之间的隔离度大于25 dB，各端口的幅度偏差小于0.1 dB，8个端口的损耗均小于1.1 dB，相位基本一致。

图2 一分八功分器结构Fig.2 Structure of an eight-way microstrip divider

图3 功分器各端口距离较近的仿真结果Fig.3 Simulation results of the power divider

2）功分器各端口距离较远时，结构如图4所示。功分器的仿真结果如图5所示，从仿真结果可以看出，功分器的反射系数小于-15 dB，各端口之间的隔离度大于20 dB，输出端口的幅度差异小于0.15 dB，8个端口的损耗均小于1.24 dB，相位基本一致。

图4 端口距离较远的一分八功分器结构Fig.4 Structure of an eight-way microstrip divider with longer distance between ports

图5 功分器各端口距离较远的仿真结果Fig.5 Simulation results of the power divider

3 结论

本文基于Wilkinson功分器设计原理，设计了一种C波段一分八的等分功分器，又根据实际应用中各端口相距位置可能发生改变，设计一种变形的形式，从仿真结果可以看出设计基本满足要求，可以应用在EUHT项目中。根据不同的频段，计算不同的微带线宽、阻抗值，可以得到适合更多应用场景的微带功分器，广泛应用于轨道交通各个通信系统之中。