一種一分三功分器的設計

文/鐘淑蓉

1 前言

隨著現代電子和通信信息技術的飛速發展，信息交流越發頻繁，各種各樣的電子設備的功能已經影響到各個領域。而在微波系統中各種無源和有源器件對微波信號進行必要的處理和變換。其性能的好壞會影響到系統的正常工作,而功分器做為常見的微波無源器件,它是將輸入信號功率分成相等或不相等的幾路輸出的一種多端口網絡，廣泛應用于雷達系統及天線的饋電系統中。

圖1：一分二功分器等效電路

圖2：一分三示意圖

2 一種一分三功分器的設計

為了將功率按照一定的比例分成兩路或者多路，需要使用功率分配器。功率分配器反過來則是將多路信號能量合成一路輸出，此時也稱為功率合成器。在現代無源器件中，微帶功分器從質量以及重量上都日益重要。

本文的設計目的:其工作頻帶1.5GHz-2.5GHz，輸出端口隔離度≤-20dB，輸出端口≤-5.0 dB，電壓駐波比≤1.5，

一分三的功分器的設計，傳統上可以采用先用1:2 的不等分功分器，然后再將功率為2 份的這個分支進行等功分，這樣設計的功分器也可以實現功率的等分配，但是由于不等分功分器兩分支的輸出差別較大，因此兩只參與分功率的四分之一波長線的寬度差別較大，所以最后輸出時，功率分配并不太均勻，同時其電壓駐波比不滿足設計要求。

圖3：HFSS 中建模

圖4：S12、S13、S14

圖5：S23 S24 S34

圖6：電壓駐波比

因此本文在一分二的基礎上之間使用一分三均勻對稱的分布線使輸出更加均勻，駐波比滿足設計要求。因此我們首先介紹常見的一分二的模型原理。該類型的功分器可以實現任意功率比的分配，并且可以使用微帶線或帶狀線來實現。

在現有的通信系統中，傳輸線的特性阻抗通常為為50Ω，而匹配電阻也為50Ω，即圖1中R2=R3=50Ω。根據匹配原理，分支節點A 處的電阻ZinA=Zin2=Zin3=Z0=50Ω。因此功分器的結構是對稱的，所以輸入阻抗Zin2=Zin3=100Ω。Zin2、Zin3分別通過λ/4 阻抗變換段的阻抗變換作用來實現與終端電阻R2、R3的匹配。由傳輸線理論得：

三等分功分器初始值計算及原理如圖2。

三等分功分器各端口特性如下：

（1）端口1 無反射

（2）端口2、3、4 輸出電壓相等且同相

（3）端口2、3、4 輸出功率比值為任意指定值1/k2

由于在一分三的計算中，我們得到的四分之一波長線和負載50 歐的值差別較大，所以我們在實際操作中會在四分之一波長線和負載50 歐之間再增加一節匹配線，同時為了達到更好的隔離度，我們也在如圖2的基礎上增加兩個隔離電阻，其電阻的值可以通過奇偶模分析得到。

在HFSS 中建模如圖3所示,由設計可得,當選擇相對介電常數為2.2,厚度為0.5mm的微帶板時，R0=50Ω 時，W0=1.52mm，L0=28mm，R1=113Ω 時，W1=0.3mm，L1=27mm，R2=65Ω 時，W2=0.99mm，L2=28mm

在微帶之間加上隔離電阻，并在輸入輸出端口加上激勵，進行仿真可以得到三個輸出端口的輸出S12、S13、S14 在-5dB 左右，如圖4所示。

其23、24、34 端口之間的隔離度，如圖5所示，可以看到其隔離度大于-15dB，完全滿足設計要求。

同時我們可以看到端口的電壓駐波比如圖6所示，電壓駐波比小于1.5，完全滿足設計要求

3 結語

由圖我們可以看到，直接使用一分三的功率分配模式，并增加一節阻抗匹配線及隔離電阻，可以很好地實現功率的均勻分配，同時由于電路的對稱性，不僅輸出功率的值很均勻，而且其電壓駐波比和隔離度都滿足設計要求，在實際生產可以使用，但是其輸出端的三根微帶線的寬度很窄，因此對加工精度要求較高，如果加工精度不高的話，微帶相互之間的耦合較大，輸出端口的隔離度不滿足要求，所以，在實際使用時，要提高加工的精度。