2～12 GHz超寬帶功分器的設計

郭崢，池少騰，楊自強

1.西南電子設備研究所，四川成都610036 2.電子科技大學電子工程學院，四川成都611731

2～12 GHz超寬帶功分器的設計

郭崢1，池少騰2，楊自強2

1.西南電子設備研究所，四川成都610036 2.電子科技大學電子工程學院，四川成都611731

應某雷達系統射頻前端提出的對超寬帶功分器的應用需求，文中提出一種基于多節Wilkinson結構的超寬帶功分器，并使用ADS與HFSS軟件進行仿真設計。首先利用ADS軟件快速綜合出功分器的初始尺寸，然后在HFSS軟件中進行精確的仿真和優化，在此基礎上進行了實驗驗證，測試結果表明該功分器在2～12 GHz工作頻率內，插入損耗小于5 dB，端口回波損耗大于10 dB，輸出隔離度大于20 dB。

ADS; HFSS;超寬帶;功分器; Wilkinson

網絡出版地址: http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1191.U.20150727.1039.014.html

隨著科技的進步，無線通信和雷達系統得到了更廣泛的應用，對射頻電路要求也越來越高。特別是現在超寬帶通信等的超寬帶系統的發展，對超寬帶射頻器件的要求越來越高［1-5］。在射頻微波電路中，功分器是將信號的功率分成兩路或者多路的器件，根據輸出端口的功率大小可分為等分或者不等分功率分配器，并可分成兩路或者多路。

先進設計系統(advanced design system，ADS)支持系統和射頻所有類型的設計，仿真速度快，但三維電磁仿真精度較差。HFSS(high frequency structure simulator)為Ansoft公司推出的三維電磁仿真軟件，設計精度較高，但仿真時間較長。

1 Wilkinson功分器結構的基本原理

二等分功分器是三端口網絡，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Wilkinson功分器在簡單功分器中引入隔離電阻R，從而實現各端口的匹配及輸出端口間的高度隔離。基本的Wilkinson結構如圖1所示。

圖1　單節Wilkinson功分器的結構

隔離電阻R的引入可以實現輸出端口之間隔離。輸入輸出的3個端口的特性阻抗均為Z0，端口之間的兩路為特性阻抗為Z0的微帶線，長度為λ/4，兩根線實現阻抗的變換［6］。

由于電路的對稱性，當信號從端口1輸入以后，會在兩路輸出端口得到功率相同、相位相同的兩路信號，由于電阻R的兩端電位相同，因此沒有電流通過。而當端口2輸入一個信號后，信號分兩路達到端口3，一路直接通過電阻R達到端口3，另一路通過傳輸線達到端口3。如果R的位置合適的時候，兩路信號相位會相差180°，并相互抵消，達到信號隔離的效果。為實現輸出端口的高駐波比，隔離電阻R的阻值為2 Z0。

由以上介紹可知，該結構的功分器與工作信號的電長度直接相關，因此工作頻率較窄。因此可采用多節阻抗變化級聯的形式實現寬帶功率分配，多節Wilkinson的結構如圖2所示，利用Wilkinson結構前后級聯，各節的特性阻抗Z1、Z2、…、Zn和隔離電阻阻值R1、R2、…、Rn各不相同。各節傳輸線的長度仍為λ/4，各節因阻抗變換產生的反射信號在每節之間相互抵消，從而將工作頻帶展寬，實現寬帶的匹配。理論分析認為功分器的節數越多工作帶寬越寬，但引入的插入損耗也越大，應根據設計指標，合理地選擇功分器的節數［7-10］。

圖2　多節Wilkinson功分器的結構

2 2～12 GHz功分器的設計

文中要求設計一個超寬帶的等功率兩路分配器，具體設計目標為:工作頻率為2～12 GHz;傳輸損耗＜5 dB;端口隔離度＞20 dB;端口駐波比＜1.5。

根據設計指標采用多節Wilkinson結構實現該超寬帶功分器，傳統的設計方法是采用理論分析計算，得出功分器各支節的具體尺寸和各隔離電阻的阻值。該方法設計周期長，設計精度較差。文中使用ADS和HFSS軟件設計該功分器，結合ADS軟件的快速仿真和HFSS軟件的精度，快速設計出該功分器的尺寸。

首先利用ADS軟件的DesignGuide菜單下的passive circuit工具初步綜合出該功分器的初始尺寸，功分器板材選擇Rogers 4 350高頻板，板厚為0.254 mm，介電常數為3.66。根據設計指標功分器的節數設置為5，保證一定的寬帶特性和傳輸損耗。設計模型如圖3所示，ADS軟件可以直接綜合出各節的微帶線線寬、線長和各隔離電阻的阻值。ADS模型仿真結果如圖4所示，從結果可知該模型在2～12 GHz的設計頻帶內，帶內傳輸損耗小于4 dB，各指標均滿足設計要求。

圖3　功分器的ADS仿真模型

圖4　功分器的ADS仿真結果

將ADS軟件得到初始尺寸在HFSS軟件中建立模型，設置仿真腔體和端口激勵。為防止腔體自激，屏蔽腔體的尺寸選擇為20 mm×23 mm。初步仿真可發現仿真結果與ADS軟件仿真結果有所偏差，主要是ADS軟件仿真基于二維仿真，仿真精度較差。將HFSS模型中功分器各節的線寬和線長以及各隔離電阻設置成變量，分別為Wn、Ln和Rn(n分別為1，2，…)。改變各變量的值，通過優化仿真得到最優的設計結果。

HFSS的設計模型如圖5所示，優化后的仿真結果如圖6所示。優化后的隔離電阻的阻值分別為R1=150 Ω，R2=188 Ω，R3=287 Ω，R4=420 Ω，R5=367 Ω。從仿真結果中可知，該功分器的仿真帶內損耗小于4.1 dB，帶內回波損耗大于15 dB，端口隔離度優于20 dB。

圖5　功分器的HFSS仿真模型

圖6　功分器的HFSS仿真模型

3　功分器的加工與測試

按照仿真時使用的板材和微帶線尺寸加工該功分器，由于其工作頻率較高，隔離電阻統一采用0402封裝電阻，減少分布參數的影響。使用Solidworks軟件設計功分器的屏蔽腔體，腔體的尺寸與HFSS模型中的腔體保持一致，腔體材料采用鋁材，并作表面氧化處理。功分器的輸入輸出接頭采用SMA高頻接頭，裝配好的功分器實物如圖7所示。

圖7　功分器實物圖

使用矢量網絡分析儀對該功分器進行測試，主要測試功分器的傳輸特性、端口駐波特性、輸出端口隔離度等性能。測試結果如圖8，由圖可知該超寬帶功分器在2～12 GHz的超寬帶內的傳輸損耗小于5 dB，端口回波損耗大于10 dB，輸出端口隔離度大于20 dB，均滿足設計要求。從測試可知在高頻段的測試結果與仿真結果相差較大，主要是接頭和測試匹配負載在高頻段工作性能較差引入的，同時實際的電阻分布參數對結果也有一定影響。

圖8　功分器的測試結果

4　結束語

本設計中充分利用了ADS軟件和HFSS軟件的設計優點，采用多節阻抗變換Wilkinson功分器結構，可在短周期內設計出一款性能優良的超寬帶功分器，提高了設計效率，保證了精度。從本設計的2～12 GHz超寬帶功分器的測試結果可知，該功分器的各設計指標與仿真的結果大致相同，并均滿足設計要求，證明了該設計方法的可行性。

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網絡出版地址: http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1191.U.20150727.1025.003.html

Design of 2～12 GHz ultra-wideband power dividers

GUO Zheng1，CHI Shaoteng2，YANG Ziqiang2

1.Southwest Institute of Electronic Equipment of China (SWIEE)，Chengdu 610036，China 2.School of Electronic Engineering，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731，China

The ultra wide band power divider is required by the RF front-end of a radar system.A UWB power divider using multi-class Wilkinson structure is proposed in this paper.The advanced design system and high frequency structure simulator software are both used to simulate the power divider.The initial size of the power divider was obtained using the ADS software，and then the power divider was simulated and optimized by the HFSS software accurately.A prototype of the power divider was fabricated and measured.The experimental results show that the insertion loss is less than 5 dB，the port return loss is more than 10 dB，and the isolation is more than 20 dB in the frequency range of 2～12 GHz.

ADS; HFSS; UWB; power divider; Wilkinson structure

TN626

A

1009-671X(2015) 04-034-04

10.3969/j.issn.1009-671X.201502002

2015-02-03.網絡出版日期: 2015-07-27.

國家自然科學基金資助項目(61471093).

郭崢(1982-)，男，碩士研究生.

郭崢，E-mail: guozh@qq.com.

10.3969/j.issn.1009-671X.201411007