一種改進型Wilkinson功分器的設計

摘 要： 提出了改進型Wilkinson功率分配器的設計方案，通過引入λ/2微帶傳輸線的辦法，解決了傳統(tǒng)Wilkinson功分器工作在較高頻率時尺寸變小導致的電路布局的限制，以及兩輸出臂靠近相互干擾嚴重而性能下降的問題。應用ADS軟件進行了電磁仿真設計，并制作了一款工作在無線局域網(wǎng)2.4～2.483 5 GHz頻率范圍內的功率分配器樣件，對樣件進行了指標測試，測試結果與設計結果吻合較好，驗證了方案的可行性。

關鍵詞： 威爾金森功分器； 電磁仿真； 無線局域網(wǎng)； 微帶傳輸線

中圖分類號： TN626?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）16?0131?02

功分器是無線通信系統(tǒng)中的一種非常重要的微波無源器件，在天線陣饋電系統(tǒng)、功率放大器和無線局域網(wǎng)中都有著廣泛的應用。目前應用最多的微波功率分配器多為威爾金森（Wilkinson）形式的功分器，其優(yōu)點在于設計方法較簡單、易于實現(xiàn)，輸出端口可以實現(xiàn)較高隔離[1]。近年來，功分器的研究已經(jīng)越來越成熟，也越來越深入。文獻[2]采用在傳統(tǒng)Wilkinson功分器的輸出端添加短路枝節(jié)的方法實現(xiàn)了寬帶功分器；文獻[3]采用葫蘆狀的多節(jié)阻抗變換器Wilkinson功分器結構，顯著展寬了功分器的工作帶寬；文獻[4]提出了一款平面結構的新型雙頻功分器；文獻[5]則給出了直接多路輸出Wilkinson功分器的計算公式，進一步完善了該功分器的設計指導。然而，當工作頻率升高以后，制作器件的實際尺寸將會縮小，由于隔離電阻的存在，使得兩個輸出支路的電路布局存在限制，尤其在不等功率分配，兩個輸出端口存在強烈互耦而惡化功分器的整體性能[6]。基于文獻[6]的思路設計了改良型的Wilkinson功分器，該功分器工作在無線局域網(wǎng)S頻段 2.4～2.483 5 GHz頻率范圍內，從而增加了其實用價值。利用ADS軟件進行了仿真設計，并進行了實物加工和測試。

1 功分器設計

對于基本的Wilkinson功分器，其輸入/輸出端口特性阻抗為Z0，兩段分支微帶線的電長度均為[λg4]。實現(xiàn)等功分3 dB設計的Wilkinson功分器，基本原理與設計公式在參考文獻[7]中已經(jīng)做了詳細介紹，其電路結構示意圖如圖1所示。然而傳統(tǒng)的Wilkinson功分器在工作于頻率較高的情況下，電路尺寸將會縮小，電路布局受到限制，并且兩輸出端口互耦嚴重進而影響其性能。為了解決這些問題，本文通過在隔離電阻兩側和兩輸出支路上引入電長度180°（[λ2]）微帶傳輸線，將圖1所示的功分器結構改進為圖2所示。

改進型Wilkinson電路結構，通過引入[λ2]長度的傳輸線后，大大提高了電路布局的靈活性。由傳輸線理論可知，中心頻率處隔離電路部分的矩陣A為：

[A=-100-11R01-100-1 =1R01]

由矩陣A可知，兩輸出支路之間的隔離電路部分仍等效為一個串聯(lián)電阻，兩段λ/2長度傳輸線的引入，不但沒有改變電路的性能，而且增加了兩輸出端口微帶線間的距離，從而減小了相互干擾。

2 仿真及實驗結果

根據(jù)上述分析和計算，設計了一款用于無線局域網(wǎng)的二等分功分器。中心頻率為f0=2.45 GHz，頻率范圍為2.4～2.483 5 GHz，輸入/輸出端口阻抗Z0=50 Ω，隔離電阻R=100 Ω。選用F4B系列微波介質材料板，相對介電常數(shù)為εr=2.65，損耗角正切tan δ=0.001，厚度h=2 mm。利用ADS仿真軟件進行大量的仿真優(yōu)化，得到最佳的電路尺寸和最終的加工實物如圖3所示。使用Agilent N5230A矢量網(wǎng)絡分析儀對加工的功分器進行了實際測量。圖4給出了各端口S參數(shù)仿真和實測結果的對比。

由圖4可知，在無線局域網(wǎng)頻帶2.4～2.483 5 GHz內，實測結果表明輸入端口（S11<-20 dB）匹配良好；功率輸出起伏很小，S21起伏0.2 dB，中心頻率實測S21=-3.87 dB，接近理論值-3.05 dB；輸出端口間的隔離高（S23<-25 dB），帶內高頻端最佳隔離超過30 dB。測試結果與仿真結果具有較好的一致性，實測結果略微向高頻偏移，帶內插損偏高，這可能由于加工和測量誤差造成；帶外高頻端性能惡化可能由于接頭和匹配負載精度不高的原因。

3 結 語

本文介紹一種改進型Wilkinson微帶二等分功分器，并給出研制成果。基于傳統(tǒng)Wilkinson功分器理論，通過引入[λ2]微帶傳輸線，增加兩輸出端口間的距離從而提高電路布局的靈活性，進而改善功分器的性能。制作一款用于WLAN的2.4～2.483 5 GHz頻率范圍的改進型Wilkinson功分器，實測結果表明該功分器在整個設計頻帶內具有良好匹配、功分和隔離性能。

參考文獻

[1] 程敏鋒，劉學觀.微帶型Wilkinson 功分器設與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術，2006，29（20）：25?26.

[2] 尹莉，彭浩，楊濤.多枝節(jié)寬帶功分器的設計[J].電子元器件應用，2012，14（3）：22?24.

[3] 楊崢崢.微帶功分器的設計[J].艦船電子對抗，2012，35（4）：69?72.

[4] 周銀磊，吳國安.一種新型雙頻Wilkinson功分器的設[J].電訊技術，2012，52（8）：1368?1371.

[5] 傅世強，周陽，房少軍.一種微帶結構的新型不等分功分器設計[J].現(xiàn)代電子技術，2013，36（4）：154?156.

[6] ANTSOS D， CRIST R， SUKAMTO L. A novel Wlkinson power divider with predictable performance at K and Ka?band [C]// Proceedings of 1994 IEEE MTT?S International Microwave Symposium Digest. San Diego， CA， USA： IEEE， 1994： 907?910.

[7] 欒秀珍，房少軍，金紅，等.微波技術[M].北京：北京郵電大學出版社，2009.