射頻寬帶Wilkinson功分器的設計

張紅字　王永慧　樓平　吳湘蓮

摘要：文章設計了一款工作頻率為1～3GHz的射頻寬帶Wilkinson功分器。該功分器采用3枝節阻抗變換器級連的方式來擴展帶寬，利用ADS軟件進行設計、仿真、優化，實現了在1～3GHz的頻帶內，$21（$31）近似為-3dB，輸入輸出反射系數小于-18dB，隔離度小于-20dB。

關鍵詞：Wilkinson；功分器；ADS；反射系數；隔離度

隨著科技的進步，無線通信系統得到了更廣泛的應用，這對射頻電路也有了更高的性能要求，特別是現在超寬帶通信系統的發展，人們對寬帶射頻器件性能要求也會越來越高。功分器是將送進來的射頻信號功率分成兩路或者多路的器件，還可以根據要求的輸出端口的功率大小分為等分或者不等分功率的分配器。因此，該器件在射頻領域中有著更為廣泛的應用。

1.Wilkinson功分器結構的基本原理

二等分的Wilkinson功分器的基本結構如圖1所示，從Port1右起，可以看成是將信號功率一分為二的分路器；如果從Port2，Port3往左看，則可以認為它是將兩路的信號功率合成更大功率信號的合路器。功分器要求在需要的頻率范圍，其輸出信號按照指定的功率分配。另外，R可以看成隔離電阻，以保證功分器的2，3端口之間較高的隔離度。功分器關于電阻是對稱的，且微帶線的特征阻抗為Z₀₁=2Zn，長度為入/4，這就保證了兩路信號經過的電長度相同，同時在輸出端口也保證了相同的幅度和相位，這個時候的隔離電阻不會消耗信號能量。匹配使得各輸入輸出端口的反射系數盡可能的小。Wilkinson功分器不僅具有良好的幅度相位特性而且設計簡便，是射頻功率合成、天線陣列、混頻器等微波電路設計中重要的組成部件。

2.寬帶Wilkinson功分器的仿真設計

由于單節Wilkinson功分器的狹窄帶寬限制了其在寬帶系統中的應用，為了增加帶寬，實現寬頻化，須采用多枝節阻抗變換器級連的方式來擴展帶寬。本文設計了一款工作頻率為1-3GHz的寬帶Wilkinson功分器，該頻段覆蓋了北斗、GPs定位系統、WiFi、藍牙等常見的頻段，非常適合廣泛應用。寬帶功分器高低頻率之比為3，需要多枝節才能實現，但是枝節多了也會帶來更大的尺寸和更高的損耗，所以枝節數也不能選擇太多的，本設計用3枝節來實現。

首先根據各項指標，如工作頻帶，輸入輸出反射系數，功分比，輸出端口之間的隔離度等要求，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原理圖，包括微帶各枝節的特征阻抗及隔離電阻的阻值等，再利用其優化的功能進行優化仿真設計，如圖2所示。功分器的PCB板選擇最為常見的FR4板材，其基本參數為板厚為0.508mm，介電常數為4.2，損耗矯正切為0.01，原理圖的仿真結果如圖3所示。

從仿真結果可以看出，端口反射系數（因為對稱，2端口的反射系數和3端口的一致，故只給出2端口）都在20dB以下、隔離系數的值也在：-20dB以下，傳輸損耗在-33dg之內，基本符合設計的要求。

根據原理圖優化好的結果，在ADS軟件里生成版圖，再通過手動布局，在相應裝貼元器件和芯片的地方預留焊接的空間，同時盡量避免微帶線之間的相互串擾，并在裝貼元件處加port，以便在接下來的原理圖一版圖聯合仿真中連接元器件。在版圖的仿真過程中，通過手動調節優化，最終確定版圖的布局，如圖4N示。

從圖5N以看出，在工作頻帶內，端口反射系數都在-18dB以下、$32的值都在：-20dB以下，傳輸損耗$21在工作帶寬內近似等于-3dB，且非常平坦，基本符合設計的要求。

通過原理圖和圖5的仿真結果相對比，可以得到兩者的仿真結果相近且曲線變化方式相似，這樣也說明了原理圖的仿真結果對版圖的仿真具有非常大的指導意義。

3.結語

根據實際需求，利用ADS軟件的強大功能，最終優化仿真得到了理想的工作帶寬為1～3GHz的寬帶Wilkinson功分器，驗證了防真軟件在射頻電路設計中的可行性，為接下來電路板在實際的加工、測試與應用過程中起到了積極的指導作用。