基于ADS的1∶4 Wilkinson正交功率分配器設計與實現

萬建崗，陳　鵬，葛代河，鄧　靜

(1.空軍預警學院，湖北 武漢 430019；

2.中國人民解放軍94878部隊，安徽 蕪湖 241000)

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基于ADS的1∶4 Wilkinson正交功率分配器設計與實現

萬建崗1，陳鵬1，葛代河2，鄧靜1

(1.空軍預警學院，湖北 武漢 430019；

2.中國人民解放軍94878部隊，安徽 蕪湖 241000)

摘要設計了一個S波段1∶4Wilkinson正交功率分配器。該功率分配器由3個1∶2 Wilkinson功率分配器二級級聯構成，加入λ/4微帶傳輸線，形成正交網絡，同時對功率分配器進行了增益均衡設計，應用微波仿真軟件ADS對電路進行了優化設計，給出了S參數仿真結果、電路版圖及實物圖，測試結果表明，在2.7～2.9 GHz工作頻率范圍內，輸入輸出端的駐波比<1.3，隔離度<-24 dB，插入損耗≤0.3 dB，相位偏差小于5°(相對于標準相位)。

關鍵詞Wilkinson功率分配器；ADS仿真；優化設計

Design and Implementation of 1∶4 Orthogonal Wilkinson Power Divider Based on Software ADS

WAN Jian-gang1,CHEN Peng1,GE Dai-he2,DENG Jing1

(1.AirForceEarlyWarningAcademy,WuhanHubei430019,China；2.Unit94878,PLA,WuhuAnhui241000,China)

AbstractA 1∶4 orthogonal Wilkinson power divider operating on S-band is introduced.The power dividerconsists of three 1∶2 Wilkinson power dividers in 2-stage cascade,and an orthogonal network is formed by adding aλ/4 microstrip line.The power gain balance is also designed.The circuit is optimized by the simulation software ADS.The results of simulation with S parameters,circuit layout and 1∶4 picture of Wilkinson divider are presented,which show that within the 2.7～2.9 GHz operating band,the input/output VSWR is less than 1.3,the isolation less than -24 dB,the insertion loss less than or equal to 0.3 dB,the phase offset less than 5°(relative to standard phase).

Key wordsWilkinson power divider;ADS simulation;optimization design

0引言

全固態雷達發射機無論是集中式高功率發射機，還是分布式有源相控陣發射機都離不開一種基本微波元件，即功率分配器/合成器。多個相同的單元放大器與功率分配器/合成器一起，構成的均勻組合放大組件是實現固態發射機的基礎，均勻組合放大組件的顯著特點是單元放大器的功率增益等于其驅動的放大器個數，此時產生所要求的額定輸出峰值功率所需要的單元放大器個數最少，效費比最高[1-3]。通常情況下，微波功率晶體管功率增益可達到6～8 dB左右，考慮到功分器/合成器以及微帶電路的損耗，均勻組合放大組件通常為1推4的結構，需要用到1∶4功分器。Wilkinson功分器具有結構簡單、插入損耗低、隔離度高、幅相一致性和可實現全端口匹配的優點，常用于功率分配網絡中[4]。

本文基于ADS仿真軟件，設計了一種1∶4Wilkinson正交功率分配器，并應用于某型雷達固態功率放大組件中，該功分器由3個1∶2 Wilkinson功率分配器二級級聯構成，每個分配器輸出端口間加一個隔離電阻，以達到兩端口隔離的目的，二級分配器之間通過阻抗為50 Ω的微帶線連接，為減小輸入端反射系數，加入λ/4微帶傳輸線，形成正交網絡，同時為保證整個功放組件的增益平坦度，對功率分配器進行了增益均衡設計，設計中采用微波仿真軟件ADS對電路進行CAD輔助設計并給出了仿真結果和實物制作圖，測試結果表明，該功率分配器各性能參數良好。

11∶4 Wilkinson功分器設計與仿真

研究設計的雷達單個固態功率放大組件工作于S波段，由二級放大器構成，采用1推4的結構將35 W左右的輸入信號放大到700 W左右輸出，組件中采用的放大器為5個相同的平衡放大器，功率分配器為1∶4 Wilkinson功分器，組件原理圖如圖1所示。

圖1　功率放大組件原理

為了減小輸入端反射系數，在功分器的一個輸出端加入一段λ/4微帶傳輸線，構成移相單元，使2個放大器的反射波在輸入端口上反相抵消，得到一個良好匹配的正交功率分配器，相應的在合成器的另一個輸入端也接入一段λ/4微帶傳輸線，使合成器能夠良好匹配并達到同相功率合成的目的。

另外由于第1級放大器帶內功率波動對整個功放組件的帶內功率平坦度有很大影響，為了控制組件第2級輸出功率大小和平坦度，前級放大器應根據后級放大器的最佳輸入功率要求進行均衡。因此功分器作用不僅是功率分配而且是功率增益均衡電路，由于晶體管功率增益隨頻率升高而降低，功率分配器正向傳輸還應具有相反特性，即工作頻率越高，插入損耗越小。

1∶4正交功率分配器的設計目標是：分配器輸出端幅度、相位一致性高、電路插損小、具有增益均衡功能[5，6]，同時特別要考慮電路布局，要求布局合理緊湊，尺寸符合實際，否則即使仿真效果再好，也只能停留在理想情況，不能應用到實際電路中。其主要技術指標為：工作頻率2.7～2.9 GHz，插損≤0.4 dB，輸入/輸出駐波比≤1.4，隔離度≤-24 dB，相位偏差≤±5° (相對于標準相位)。

考慮到功率分配器工作頻段、傳輸功率及設備尺寸，采用Rogers公司的RT/duroid 5880型介質基板，介電常數εr=2.2，基片厚度H=0.787 mm，導體厚度T=0.01 mm，金屬電導率Cond=3×107，損耗正切角TanD=0.000 9。

首先設計第1級的1∶2 Wilkinson功分器結構，為了實現電路增益均衡，以最高頻率2.9 GHz為設計頻率，因此電路在其他頻率由于失配傳輸性能會降低，從而實現增益均衡功能。借助ADS微波仿真軟件中計算微帶線參數的工具——LineCacl，快速得出第1級功分器輸入輸出臂特性阻抗為50 Ω時所對應的微帶線寬度，以及2分支線特性阻抗為70.7，長度為λ/4時對應的微帶線寬度和長度[7，8]。為節省空間，可以將2分支線設計成半圓形，為了與后級2個1∶2 Wilkinson功分器銜接緊湊，2個輸出臂長度一致，且足夠長，向兩側展開，并向內彎曲，為后級功分器留出相應空間，輸出臂在仿真原理圖布局如圖2所示。

圖2　第1級功分器輸出臂仿真原理

然后設計第2級功分器的結構，第2級功分器由2個相同的1∶2 Wilkinson功分器構成，分支線同樣設計成半圓形，兩輸出臂設計成弧形，自然展開，并以中心頻率2.8 GHz為依據設置移相單元，使兩輸出臂長度相差λ/4，輸出相位相差90°，如果還是以2.9 GHz為依據設置，則在低工作頻點，相位偏差將變大，導致難以滿足技術指標要求。為方便后續的功率放大器并列安裝，移相單元向內彎曲，以便兩輸出臂端口在一條線上。

2仿真結果與分析

為了減小各路幅度、相位差異，應避免各傳輸線的耦合，因此各傳輸線之間的距離要大于介質基片厚度的3倍，最后以各輸出端口的插入損耗和相位差作為控件“Goal”優化目標，通過仿真優化控件“Optim”微調微帶線的長寬，得到其仿真結果如圖3、圖4、圖5和圖6所示。

圖3　功率傳輸相位特性

圖4　功率傳輸幅度特性

圖5　輸入輸出駐波比

圖6　輸出端口間隔離度

從仿真結果中可見，在整個頻帶內此功率分配器的電性能良好，插入損耗小于0.2 dB，相位偏差<4°，輸入輸出端的駐波比<1.2，隔離度<-25 dB。

在完成仿真設計后，將電路版圖導出，得到如圖7所示的1∶4 Wilkinson正交功率分配器版圖，從圖中可以看出，原理圖中的各種傳輸線模型已經轉化為版圖中的實際微帶線。

圖7　1∶4Wilkinson正交功率分配器版圖

生成功率分配器的版圖后，為觀察其性能，并能更好的接近實際，需要在版圖里再次進行S參數的仿真，版圖仿真電路的各項性能指標有一定的降低，主要是因為實際電路中微帶線間存在互耦、串擾和輻射影響。

最后采用薄膜技術制造工藝制作電路，其實物圖如圖8所示。

圖8　1∶4 Wilkinson正交功率分配器實物圖

用網絡分析儀測試得到測試結果如表1所示。從測試結果中看出，在2.7～2.9 GHz工作頻率范圍內，插入損耗≤0.3 dB，輸入輸出端的駐波比<1.3，隔離度<-24 dB，相位偏差小于5°，完全滿足性能指標要求。

表1　1∶4 Wilkinson正交功率分配器測試結果

3結束語

本文詳細介紹了工作于S波段的雷達固態功率放大組件中1∶4 Wilkinson正交功率分配器的設計流程和方法，充分利用ADS仿真軟件的各項功能對功率分配器進行優化設計，省去了復雜的理論分析計算，大大簡化了設計過程，提高了工作效率，對射頻段小功率分配網絡的CAD設計具有很大的參考價值。

參考文獻

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[6]POZAR D M．微波工程[M].北京：電子工業出版社，2006.

[7]陳艷華，李朝暉，夏瑋.ADS應用詳解─射頻電路設計與仿真[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[8]徐興福．ADS2008射頻電路設計與仿真實例[M].北京：電子工業出版社，2010.

萬建崗男，(1984—)，碩士。主要研究方向：雷達與電子對抗技術。

陳鵬男，(1981—)，碩士。主要研究方向：雷達與電子對抗技術。

作者簡介

中圖分類號TN626

文獻標識碼A

文章編號1003-3106(2016)02-0080-03

收稿日期：2015-11-04

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.02.20

引用格式：萬建崗，陳鵬，葛代河，等.基于ADS的1∶4 Wilkinson正交功率分配器設計與實現[J].無線電工程,2016,46(2):80-82.