微帶一分五寬帶Wilkinson功分器的設計與制作

徐 洋 彭 龍 張 帥 廖文軍

(1.成都信息工程大學 成都 610225;2.成都天創微波有限責任公司 成都 610041)

0 引言

功分器在微波電路中有著廣泛的應用，被應用在功率放大器、相控陣天線［1］、混頻器和多路中繼通信機等微波設備中。它性能的好壞直接影響到整個系統能量的分配和合成效率。隨著寬帶天線、寬帶濾波器等器件的不斷發展，對寬帶功分器的需求也越來越大［2］。

功率分配器作為最基本的微波無源器件，它將一個輸入信號分配成多個較小的信號，相反它也可將多個信號進行功率合成。當輸出端口較多時，非2n個時，難以保證輸出個端口幅度和相位的一致性。幅度和相位的一致性對系統的影響較大［3］，例如在相控陣天線系統中。本文利用Ansoft designer、Serenade、AutoCAD、HFSS 等軟件對功分器進行協同仿真，設計并制作出了工作頻帶在0.7 ～2.5GHz 的微帶一分五寬帶功分器。可廣泛應用于通信、功率分配合成系統中。

1 功分器的理論分析

1．1 寬頻帶等分功分器

本文設計的是一個工作頻帶在0.7 ～2.5GHz，涉及到功分比為1∶1 的兩路功分器，帶寬約為4 個倍頻層，結合多節λ/4 阻抗變換器相級聯的形式，阻抗變換器采用4 節。

通常選擇的節數越多，功分器的工作頻帶越寬，同時帶來的問題是傳輸線的損耗也會增加，尺寸也會越大，所以在設計過程中選擇合適的節數是關鍵。對于功分比為1∶1∶1 的3 路功分器分析方法也是如此。

1.2 寬頻帶不等分功分器

在此基礎上，進一步進行了一個不等分兩路功分器的設計，分配比為2∶3 計算出了兩路輸出信號的分配損耗理論值分別為3.97dB 和2.21dB。阻抗變換器同樣采用4 節。

解決了不等分的路數分配后，其它的隔離原理等計算方法同等功率分配器的完全相同。

2 功分器設計與實現方法

功分器的設計指標:工作頻率為0.7 ～2.5GHz;電壓駐波比(VSWR)＜1.3;插入損耗＜1dB;隔離度＞20dB。

本文采用的功率分配示意圖如圖1所示，采用ARLON 880 作為介質基板，其相對介電常數為2.2，厚度為0.508mm。

圖1 功分器功率分配示意圖

首先在Ansoft designer 搭建分配比為2:3 功分器電路模型，仿真得到其分配損耗和特性阻抗后在Serenade 軟件中建立功分器物理模型，最終電路版圖以CAD 格式導入到HFSS 中進行三維電磁仿真。

3 仿真設計

由上述設計方法得到微帶一分五寬帶功分器仿真模型，如圖2所示。

圖2 功分器仿真模型

由上圖建立的仿真模型，仿真得到的結果如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 功分器隔離度仿真

圖4 功分器輸入輸出駐波比仿真

圖5 功分器傳輸損耗仿真

圖3 為功分器隔離度的仿真結果，端口2 和端口3 之間的隔離度在整個頻帶內小于設計值20dB，應該是二等分功分器隔離電阻阻值的選取不合適。圖4 為功分器輸入輸出駐波的仿真結果，在所設計的頻帶內，功分器的輸入端口Port1 和輸出端口Port2 駐波VSWR＞1.3，可能是由于輸入端采取了不等分的設計方法造成功分器兩路輸出分配不均，也可能是由于不等分功分器隔離電阻阻值選取不當造成。圖5 為功分器傳輸損耗的仿真結果，在0.7～2.5GHz 頻帶內，插入損耗＜1dB，滿足設計指標要求。但是2 路等分輸出和3 路等分輸出間幅度平衡度太差，這是由于輸入端兩路分配插損不均造成的。為了滿足設計要求，優化不等分功分器的線長與線寬，選取合適的隔離電阻進行優化仿真，最終結果如圖6、圖7、圖8所示。

圖6 功分器輸入輸出駐波比優化仿真

圖7 功分器傳輸損耗優化仿真

圖8 功分器隔離度優化仿真

4 實物制作與測試

通過焊接電阻實現各端口之間隔離，外殼腔體采用本導材料。最終實際加工制作出的頻段在0.7 ～2.5GHz寬帶功分器實物如圖9所示。

圖9 0.7-2.5GHz 寬帶功分器實物圖

在各端口連接SMA 端頭，功分器各性能指標的測量采用AV36580A 矢量網絡分析儀，測試結果如圖10、圖11、圖12所示。

圖10 樣品隔離度

圖11 樣品駐波比仿真

圖10、圖11、圖12 分別為樣品的隔離度、輸出駐波比、傳輸損耗測試結果，由上面三幅圖可知，在0.7 ～2.5GHz 頻段范圍內隔離度＞20 dB，駐波比＜1.3，插入損耗＜1 dB，測試結果與仿真結果很接近，說明HFSS 三維仿真平臺對寬帶功分器設計有較好的指導作用。由圖12 可以看出功分比分別為1∶1和1∶1∶1 的輸出端幅度平衡略有差異，這主要是由于輸入端采取了分配比2∶3 的不等分設計，兩路分配損耗不均造成的。

圖12 樣品傳輸損耗仿真

5 結論

本文采用不等分和等分相結合的設計方法并借助多節λ/4 阻抗變換器的方式設計了工作頻帶為0.7 ～2.5GHz 微帶寬帶一分五功分器，利用Ansoft Designer，Serenade 以及HFSS 軟件進行協同仿真并制作了功分器實物，最終實物測試結果與仿真結果吻合，設計方法可行。加工制作出的實物在0.7 ～2.5GHz 工作頻帶范圍內具有良好的性能指標，其端口間隔離度＞20dB，駐波比(VSWR)＜1.3，插入損耗＜1dB。可廣泛應用于通信、功率分配合成系統。

［1］杜明亮，孟明霞，劉昊，李連輝，李鵬程.一種微帶線高隔離度功分器的設計［J］.微波學報，2012，S2:345-347.

［2］趙海，劉穎力，張懷武，胡嵩松.寬帶Wilkinson功分器的設計［J］.電子元件與材料，2010，29(12):28-30.

［3］崔冬暖，王建輝.一分二十微帶Wilkinson 功分器的設計［J］.電子科技，2014，27(4):79-82.

［4］顧其諍，項家楨，袁孝康.微波集成電路設計［M］.北京:人民郵電出版社，1978.

［5］“清華大學“微帶電路”編寫組.微帶電路［M］.北京:人民郵電出版社，1976.

［6］向敬成，張明友.雷達系統［M］.北京:電子工業出版社，2001.

［7］劉紅，王小峰.微波網絡及其應用［M］.成都:電子科技大學，1997.

［8］高葆薪等.微帶電路計算機輔助設計［M］.北京:清華大學出版社，1998.