一種微帶一分八Wilkinson功分器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

程光偉 胡 杰

(西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院 西安 710032)

一種微帶一分八Wilkinson功分器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

程光偉 胡 杰

(西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院 西安 710032)

通過對(duì)傳統(tǒng)Wilkinson功率分配器和四分之一波長(zhǎng)阻抗變換線進(jìn)行分析，研究并設(shè)計(jì)了一種微帶線Wilkinson一分八功分器。對(duì)設(shè)計(jì)的功率分配器進(jìn)行ADS和HFSS協(xié)同仿真，通過比較仿真和測(cè)試結(jié)果，兩者基本一致，在15.75GHz～16.25GHz頻率范圍內(nèi)端口駐波比小于1.4，在16.25GHz～16.75GHz頻率范圍內(nèi)端口駐波比小于1.4，端口隔離度大于21dB，插損小于0.7dB。

Wilkinson功分器; ADS; HFSS; 隔離度

Class Number TP391.9

1 引言

功分器全稱功率分配器，是一種將一路輸入信號(hào)功率分成兩路或多路的等分或不等分功率輸出的一種多端口無源微波網(wǎng)絡(luò)，相反它也可以將多路信號(hào)進(jìn)行功率合成。在微波系統(tǒng)中，需要將發(fā)射功率按一定的比例分配到發(fā)射單元，因此功分器在微波系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。它的性能好壞直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的能量分配和合成效率。隨著技術(shù)的進(jìn)步，功分器的研究朝著寬頻帶、小型化、低功耗方向發(fā)展。

Wilkinson功分器是一種常見的功率分配器，因其具有良好的幅度相位特性和簡(jiǎn)潔的設(shè)計(jì)，在實(shí)際工程中有著廣泛的應(yīng)用。本文介紹的一分八Wilkinson功分器是在一分二功分器的基礎(chǔ)上通過級(jí)聯(lián)而成?？紤]到各個(gè)阻抗變換段的長(zhǎng)度和隔離電阻的安裝位置，功分器在四分之一波長(zhǎng)阻抗變換段采用“蛇形”布局，使功分器設(shè)計(jì)更緊湊。在原理推導(dǎo)的基礎(chǔ)上說明其工作方式，緊接著完成了ADS設(shè)計(jì)及仿真，并使用HFSS進(jìn)行了三維電磁仿真，根據(jù)得到的數(shù)據(jù)制作了實(shí)物，最后使用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行實(shí)測(cè)，獲得的結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)比較吻合。

2 Wilkinson功分器基本原理

簡(jiǎn)單的二等分功分器屬于三端口網(wǎng)絡(luò)。由于普通的無耗互易三端口網(wǎng)絡(luò)不可能達(dá)到完全匹配，且輸出端口間無隔離，而工程上對(duì)信號(hào)的隔離要求很高，所以需要采用混合型的功率分配器，即Wilkinson功分器。Wilkinson功分器的工作原理是在簡(jiǎn)單功分器中引入隔離電阻，從而實(shí)現(xiàn)了信號(hào)鏈路的匹配和高隔離度。引入隔離電阻后，功分器變?yōu)橛泻牡娜丝诰W(wǎng)絡(luò)。從三端口網(wǎng)絡(luò)的基本性質(zhì)可知，有耗三端口網(wǎng)絡(luò)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(shí)現(xiàn)任意的功率分配比，且可方便地用微帶線和帶狀線來實(shí)現(xiàn)。

圖1 Wilkinson功分器基本結(jié)構(gòu)圖

圖中，Z0是特性阻抗，λg是信號(hào)的波導(dǎo)波長(zhǎng)，R是隔離電阻。當(dāng)信號(hào)從左端的一號(hào)端口輸入時(shí)，功率從二號(hào)端口和三號(hào)端口等功率輸出。如果有必要，輸出功率可按一定比例分配，并保持電壓同相，電阻R上無電流，不吸收功率。若二號(hào)端口或三號(hào)端口有失配，則反射功率通過分支叉口和電阻兩路到達(dá)另一支路的電壓等幅反相而抵消，在此點(diǎn)沒有輸出，從而可保證兩輸出端口有良好的隔離。

考慮一般情況(比例分配輸入功率)，設(shè)三號(hào)端口P3和二號(hào)端口P2的輸出功率比為k2,即

(1)

由于一號(hào)端口到二號(hào)端口與一號(hào)端口到三號(hào)端口的線長(zhǎng)度相等，故二號(hào)端口的電壓U2與三號(hào)端口電壓U3相等，即U2=U3。二號(hào)端口與三號(hào)端口的輸出功率與電壓的關(guān)系為

(2)

將式(2)代入式(1)，得

(3)

即

Z2=k2Z3

(4)

式中，Z2、Z3為二號(hào)端口和三號(hào)端口的輸入阻抗。

若選擇

(5)

則可以滿足式(4)。為了保證一號(hào)端口匹配，應(yīng)有k-2:

(6)

同時(shí)考慮到

(7)

則有

(8)

因此可得到

(9)

為了實(shí)現(xiàn)二號(hào)端口和三號(hào)端口的隔離，即二號(hào)端口或三號(hào)端口的反射波不會(huì)進(jìn)入三號(hào)端口或二號(hào)端口，可選擇

(10)

在等功率分配的情況下，即P2=P3，k=1,有

(11)

為了增加隔離度，在兩路輸出之間添加一個(gè)R=2Z0的電阻。

3 Wilkinson功分器的設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的功分器技術(shù)指標(biāo)如下:

工作頻率為15.75GHz～16.75GHz，插損≤1.5dB，幅度不平衡度≤±0.3dB，駐波≤1.4，相位≤±2.5，隔離度≥20dB；功率容量≥30W，尺寸小于112mm*21mm。

為了滿足設(shè)計(jì)要求，本文對(duì)微帶設(shè)計(jì)部分進(jìn)行了改進(jìn)，在保證微帶間耦合較小的前提下對(duì)阻抗變換段采用蛇形走線，使其在較小的尺寸下滿足λ/4阻抗變換要求，同時(shí)有利于隔離電阻的放置，使得整個(gè)設(shè)計(jì)更為緊促，尺寸更小。

考慮到工作時(shí)的功率容量，介質(zhì)基板選用Rogers5880,其相對(duì)介電常數(shù)為2.2，厚度為0.254。通過ADS的LineCalc工具可以計(jì)算出在中心頻率16.25GHz時(shí)，特性阻抗Z0=50Ohm的傳輸線寬度和四分之一波長(zhǎng)線在70.7Ohm的傳輸線寬度，得到上述初始值之后在ADS中通過一分二功分器級(jí)聯(lián)得到所需的一分八功分器。為了能夠進(jìn)一步優(yōu)化功分器性能，對(duì)一分八功分器模型中各段長(zhǎng)度和半徑設(shè)置變量，通過大量仿真優(yōu)化得到最終的原理圖如下所示。

一分二及一分八功分器原理圖如下:

圖2 一分二功分器ADS原理圖

圖3 一分八功分器ADS原理圖

在進(jìn)行ADS參數(shù)優(yōu)化之后，根據(jù)ADS最終定型的參數(shù)進(jìn)行了HFSS仿真，其仿真模式如圖4所示。

圖4 HFSS仿真模型

4 一分八功分器仿真結(jié)果

圖5 回波損耗仿真結(jié)果

分別利用ADS和HFSS軟件對(duì)功分器回波損耗、隔離度、端口駐波比及幅度相位關(guān)系進(jìn)行仿真分析，相關(guān)的仿真結(jié)果如圖5～11所示，其中圖5～7為ADS仿真結(jié)果，圖8～11為HFSS仿真結(jié)果，從圖中可以看出ADS仿真結(jié)果較好，均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，而HFSS因建模更接近于真實(shí)情況，考慮因素更多，其仿真結(jié)果沒有ADS仿真結(jié)果好，其輸入端口駐波比≤1.32，輸出端口駐波比≤1.3，隔離度≥20dB,幅度≤0.04dB,相位≤±0.7°滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 插入損耗仿真結(jié)果

圖7 輸出端口間的隔離度

圖8 端口駐波比仿真結(jié)果

圖9 輸出端口之間的隔離度

圖10 輸出端口的幅度關(guān)系

圖11 輸出端口的相位關(guān)系

5 實(shí)物制作與測(cè)試

實(shí)物加工采用Rogers5880作為介質(zhì)基板，相對(duì)介電常數(shù)為2.2，基板厚0.254mm,通過焊接電阻實(shí)現(xiàn)端口隔離，結(jié)構(gòu)采用鋁材料制成。

圖12 功分器實(shí)物圖

表1 功分器測(cè)試結(jié)果

各端口連接SMA端頭，使用Agilent矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如表1所示。從表中可以看出，測(cè)試結(jié)果與HFSS仿真結(jié)果較為接近，各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)語

本文在分析一分二Wilkinson功分器的基礎(chǔ)上，研究并設(shè)計(jì)了一分八功分器。并加工了實(shí)物，測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果較為接近，達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。因功分器工作在Ku波段，考慮到各個(gè)阻抗變換段的長(zhǎng)度和隔離電阻的安裝位置，功分器在四分之一波長(zhǎng)阻抗變換段采用“蛇形”布局，縮小功分器尺寸的同時(shí)也有利于隔離電阻的焊接，同時(shí)進(jìn)行了ADS原理圖仿真和HFSS電磁仿真，通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和不斷的優(yōu)化，最終確定實(shí)物設(shè)計(jì)參數(shù)，在設(shè)計(jì)的過程中，因?yàn)镠FSS對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行建模，仿真更加接近真實(shí)情況，仿真結(jié)果也更為可信。同時(shí)對(duì)實(shí)物的性能有一定的預(yù)見性。今后的研究方向是在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上提高功分器的頻帶寬帶和隔離度。

[1] 程敏鋒,劉學(xué)觀.微帶型Wilkinson功分器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2006,20:25-26. CHENG Minfeng, LIU Xueguan. Design and Realization of Microstrip Wilkinson Power Divider[J]. Modern Electronics technique, 2006,20:25-26.

[2] 饒睿楠,高永強(qiáng).寬帶功分器的設(shè)計(jì)與仿真[J].火控雷達(dá)技術(shù),2008,04:70-73. RAO Ruinan Gao, Yongqiang. Design and simulation of a broadband power divider[J]. Fire Control Radar Technology, 2008,04:70-73.

[3] 徐洋,彭龍,張帥,等.微帶一分五寬帶Wilkinson功分器的設(shè)計(jì)與制作[J]. 火控雷達(dá)技術(shù),2015,04:73-75,92. XU Yang, PENG Long, ZHANG Shuai, et al. Design and Fabrication of a 1-to-5 Broadband Wilkinson Microstrip Power Divider[J]. Fire Control Radar Technology,2015,04:73-75,92.

[4] 趙海,劉穎力,張懷武,等.寬帶Wilkinson功分器的設(shè)計(jì)仿真與制作[J]. 電子元件與材料,2010,12:28-30. ZHAO Hai, LIU Yingli, ZHANG Huaiwu, et al. Design simulation and production of broadband Wilkinson power divider[J]. Electronic Components and Materials,2010,12:28-30.

[5] 趙蘭,廖斌.寬帶Wilkinson功分器的研制[J].材料導(dǎo)報(bào),2007,S2:195-197. ZHAO Lan, LIAO Bin. Designing of Broadband Wilkinson Power Divider[J]. Materials Review,2007,S2:195-197.

[6] 鄭強(qiáng)林,梁勤金,石小燕.Wilkinson型功率分配器設(shè)計(jì)[C]//全國(guó)軍事微波技術(shù)暨太赫茲技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議,2014,4:237-240. ZHENG Qianglin, LIANG Qinjin, SHI Xiaoyan. Design of Wilkinson Power Divider[C]//National Conference on Military Microwave Technology and Tercherrtz Technology,2014,4:237-240.

[7] 徐燁,劉永良,蔣學(xué)斌.用于天線陣饋電的高隔離度一分八不等比功分器設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量技術(shù),2013,04:111-115. XU Ye, LIU Yongliang, JIANG Xuebin. Design of one-eight unequal power divider with high isolation for antenna array feeding network[J]. Electronic Measurement Technolog, 2013,04:111-115.

[8] 徐暑晨,王朝陽,李軍.L波段寬帶小型二階一分四功分/功合器設(shè)計(jì)[J].真空電子技術(shù),2015,06:39-41. XU Shuchen, WANG Chaoyang, LI Jun. Design of an L-Band Miniature Broadband 2-step 1-4 Power Divider/Combiner[J]. Vacuum Electronics,2015,06:39-41.

[9] 戴維.M.波扎.張肇儀等譯.微波工程(第三版)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2015. David.M.Pozar.Microwave Engineering[M]. Beijing: Publishing House of Electronics industry,2015:274-277.

[10] 張雅蘭,劉九菊.基于非均勻傳輸微帶線設(shè)計(jì)Wilkinson功分器[J].電子科技,2015,05:71-73. ZHANG Yalan, LIU Jiuju. Design of a Wilkinson Power Divider Based on the Nonuniform Transmission Microstrip Line[J]. Electronic Science and Technology,2015,05:71-73.

[11] 劉文豹,劉宇,楊自強(qiáng),等.Ku波段Wilkinson功分器仿真與設(shè)計(jì)[J].應(yīng)用科技,2014,02:35-37,58. LIU Wenbao, LIU Yu, YANG Ziqiang, et al. Simulation and design of Ku-band Wilkinson power splitters[J]. Applied Science and Technology,2014,02:35-37,58.

Design and Implementation of a 1-to-8 Wilkinson Microstrip Power Divider

CHENG Guangwei HU Jie

(School of Electronic Information Engineering，Xi’an Technological University, Xi’an 710032)

By analyzing the traditional Wilkinson power divider and quarter impedance transformer，a microstrip Wilkinson power divider is researched and designed. The designed power divider is simulated based on ADS and HFSS. By compared simulating and testing, the results of ADS and HFSS reach consensus. From 15.75GHz to 16.25GHz frequency range, the port VSWR is less than 1.4. From 16.25GHz to 16.75GHz frequency range, the port VSWR is less than 1.4, the isolation is more than 21dB, insertion loss is less than 0.7dB.

Wilkinson power divider, ADS, HFSS, isolation

2016年9月10日,

2016年10月29日

程光偉,男,副教授,研究方向:通信與電子信息專業(yè)領(lǐng)域的教學(xué)及研究工作。胡杰,男,碩士研究生,研究方向:射頻功放。

TP391.9

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.03.035