Ku波段Wilkinson功分器仿真與設計

劉文豹，劉宇，楊自強，陳濤

電子科技大學電子工程學院，四川成都611731

隨著現代電子和通信技術的飛速發展，信息交流越發頻繁，各種各樣的電子電氣設備已經大大影響到各個領域。無論哪個頻段工作的電子設備，都需要各種功能的元器件，既有如電容、電感、電阻、功分器等無源器件，以實現信號匹配、分配、濾波等;又有有源器件共同作用。微波系統同樣包含了各種無源、有源器件，它們的功能是對微波信號進行必要的處理和變換。現代無源器件中，高性能、小體積的微帶線功分器的設計變得日益重要。功分器是將輸入信號分成相等或者不等的幾路功率輸出的一種多端口微波網絡。常見的功分器主要有3種:Ratrace型，Vranchline型和Wilkinson型。因威爾森(Wilkinson)型功分器具有沒有多的隔離端口、結構簡單、易于微帶實現等優點，在工程中應用廣泛［1］。

在微波設計中，一系列的電磁仿真軟件的出現給設計帶來了很大的便利，縮短了設計周期。比如ADS、HFSS等。ADS是美國安捷倫公司所擁有的電子設計自動化軟件，功能十分強大，包括時域電路仿真，頻域電路仿真，三維電磁仿真等，仿真速度比較快［2］。HFSS軟件是Ansoft公司推出的，基于電磁場有限元法的三維電磁仿真軟件。有仿真精度高、可靠性強等優點。但是HFSS仿真的時間比較長，因此將ADS與HFSS結合使用可先用ADS仿真快速得到優化結果，然后將仿真結果輸入HFSS中進行二次仿真優化，以提高仿真精度與設計效率。

1 Wilkinson功分器的理論基礎

簡單的二等分功分器屬于三端口網絡。由于普通的無耗互易三端口網絡不可能達到完全匹配，且輸出端口間無隔離。而工程上對信道之間的隔離要求很高，因此需采用混合型的功率分配器，即Wilkinson型功率分配器。Wilkinson的理論主要是在簡單功分器中引入了隔離電阻，從而實現信號鏈路的匹配和高度隔離。它的原理在于引入隔離電阻后，功分器變為有耗的三端口網絡。從三端口網絡的基本性質可知，有耗三端口網絡可以做到完全匹配且輸出端口之間具有隔離，從而改善了普通功分器的不足。同樣，該類型的功分器可以實現任意的功率分配比，且可方便地用微帶線或帶狀線來實現。圖1為一分二微帶Wilkinson功分器的結構示意圖和等效電路。在二等分功分器網絡中，通過理論分析可知，當Z02=Z03=R=2Z0時，可實現等功率二等分［3-9］。

圖1 Wilkinson功分器的結構示意圖和等效電路

2 功分器的ADS和HFSS仿真優化

2.1 設計目標

本設計的設計目標是基于Wilkinson型功分器結構，利用HFSS和ADS仿真軟件設計一個Ku波段的一分四等功率分配器，具體設計指標如下:

設計頻率范圍:16～18 GHz;輸入輸出駐波比:VSWR≤1.5;插入損耗:L≤7.5 dB;輸出端口隔離度:I≥15 dB。

2.2 功分器的ADS仿真與優化

采用rogers5880介質板，厚度為 0.254 mm，介電常數2.2。由功分器的理論分析可知，輸入輸出端口的特性阻抗為50 Ω，則四分之一波長的的微帶線特性阻抗為70.7 Ω。利用 ADS軟件的 Linecalc工具仿真計算出在設計頻段內該微帶線的長度為3.2 mm，寬度為0.45 mm。使用ADS軟件建立電路模型，先創建一個二等分的Wilkinson型功率分配器，隔離電阻取100 Ω，然后在二等分功分器的2個輸出端口各加上一個二等分電路則形成一個一分四的功分器。ADS仿真電路圖如圖2(a)。對該電路進行仿真，仿真結果如圖2(b)。由仿真結果可知，在設計帶寬內4個端口的傳輸插入損耗小于6.1 dB，回波損耗小于－20 dB，隔離度優于 20 dB。各個指標均滿足設計要求。

圖2 功分器的ADS仿真原理圖和仿真結果

2.3 功分器的HFSS仿真與優化

為了進一步提高仿真精度，在HFSS中建立3D模型，功分器三維模型如圖3所示，并將ADS結構中的各個參數輸入HFSS進行三維仿真。首次仿真后發現HFSS仿真結果與ADS仿真結果有一定的差異，中心頻率有所偏移，特別是輸入駐波完全不能滿足設計要求，需要對功分器結構參數進再次優化。將四分之一波長的長度L和寬度W設為變量，對整個電路進行優化掃參，并對微帶線阻抗不連續處引入過渡轉換結構，以此可以很好地改善各端口的駐波。最終的優化結果如圖4。由圖可知仿真結果中回波損耗優于－20 dB，傳輸損耗小于－6.5 dB，隔離度優于23 dB，幅度不平衡度小于0.3 dB，各項指標遠高于設計目標。

圖3 功分器的HFSS模型

圖4 功分器的HFSS仿真結果

3 測試結果

使用腔體設計軟件Solidworks軟件按照HFSS仿真的腔體大小尺寸設計功分器的屏蔽腔體，腔體模型如圖5。通過三維模型圖可以很好地檢查各個接頭的位置和孔位。采用0.254 mm后的Rogers5880介質板加工電路板，屏蔽腔體采用鋁材、電鍍工藝。加工后的實物如圖6。對該功分器進行測試，測試結果如下:在16～18 GHz的帶內回波損耗優于－16 dB，4個端口的傳輸損耗在6.6～7.1dB，幅度不平衡度為0.5，駐波優于 1.3，隔離度優于 17.5 dB。4 個端口的不平衡度指標較差，主要是電路的不對稱性導致的。

圖5 屏蔽腔體的solidworks設計模型

圖6 功分器設計實物

4 結束語

本設計通過對ADS和HFSS兩個軟件的聯合使用，利用兩個軟件的各自優點在短周期內設計出一個工作在Ku波段的一分四Wilkinson功分器，通過加工實物并進行測試可得該功分器在在16～18 GHz的帶內回波損耗優于-16 dB，四個端口的傳輸損耗在6.6～7.1 dB，幅度不平衡度為0.5，駐波優于1.3，隔離度優于17.5 dB。各個指標滿足設計要求，并與仿真結果相近。證明該設計方法是一個設計功分器的很好的方法，該方法可以大大縮短設計周期，可在短時間內設計出高性能的功分器。

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