寬帶功率分配器的設計

摘要：基于威爾金森功率分配器理論，本文設計了一種應用于寬頻帶系統的微帶功率分配器，其實現形式簡單，易于工程上實現標準化、模塊化，適用需要工作頻段較寬的系統中。

關鍵詞：寬帶;微帶線;功率分配器

0 引言

在射頻電路中，經常有將某一個輸入功率的射頻信號按一定功率比例分配到多個支路電路中的使用需求。例如在多路中繼通信設備中常常需將本振信號功率分配到接收和激勵的混頻電路中進行混頻處理;在雷達系統中需將激勵射頻信號放大至一定幅度后分配到發射模塊作為其輸入激勵信號。常用的射頻功分器主要采用腔體、帶狀線和微帶線等方式實現，因微帶線具有小型化、輕量化、生產成本低和可靠性等優點，固本文所設計的功分器將采用微帶線的形式。

1理論分析

1.1微帶線理論[1]

微帶線由介質基片以及兩邊的導體帶和接地板所構成，隨著微波低損耗介質材料和微波半導體器件的快速發展，形成了微波集成電路，也促進了微帶線的蓬勃發展。微帶線一般用薄膜工藝制造，介質基片選用介電常數高、微波損耗低的介質材料，導體帶具有導電率高、穩定性好、且與基片的粘附強等特點。微帶線的幾何結構及電磁場分布如圖1所示，圖中一條寬度為W的導體帶放置在厚度為h的介質基片上，介質基片與接地板保持良好接觸。

（a）幾何結構

（b）電磁場分布

根據圖1微帶線的電磁場分布可知，微帶線傳輸特性為準TEM波（即橫電磁波），對于TEM波，根據長線方程，傳輸線的特性阻抗

式中，L0 為傳輸線的分布電感，C0為傳輸線的分布電容。

當傳輸線全部處于空氣或者真空中時，相速vφ與光速C相等，當傳輸線全部處于相對介電常數為εr的介質中時，則。

因此，微帶線的特性阻抗

式中，Z0為傳輸線的特性阻抗，Z00為微帶線的特性阻抗，εr為介質基片的有效介電常數。

在計算微帶線的特性阻抗時，一般先求同尺寸的空氣微帶線的特性阻抗，再根據公式（1）和介質基片的有效介電常數εe來求得。

本文中

εe=1+q（εr-1）（5）

q為填充系數，表示介質填充程度，本文設計選用的為介質全部填充，因此q=1，εe=εr，在已知微帶板材介電常數與厚度的情況下，根據公式（2）和公式（3）可以計算出微帶板材傳輸線特性阻抗的微帶線寬度。

1.2 單節威爾金森功率分配器理論

威爾金森功率功率分配器和其他微帶電路元件一樣，功分器也有一定的頻率響應特性，根據其工作帶寬來分可以分為單節和多節功分器。

單節威爾金森功率分配器結構和分析計算都較為簡單，一分二單節威爾金森功率分配器如圖2所示，其輸入和輸出微帶線特性阻抗都是50 Ω，輸入輸出口之間為分支線特性阻抗Z1，分支線長為中心頻率波長λg的1/4。對功分器的要求為：當2、3端口接50 Ω匹配時，在輸入端1無反射;同樣如果在輸入端接50 Ω匹配時，輸出2、3端口無反射。為滿足輸入端無反射的條件，需在2、3輸出端口接匹配，經λg/4反映到1端口的并聯導納為2Z0/Z21。若要滿足匹配條件，則2Z0/Z21=1/Z0，因為是二等分，因此，Z1=Z2==70.7（Ω）。跨接A、B兩點之間的隔離電阻R吸收2、3端口之間互相作用的能量，當射頻信號從1端口輸入時，如果A、B兩點等電位，則R上沒有能量，不起作用;當2端口有信號反射回來時就會達到3端口，從而影響功分器的隔離度指標。R的取值為經驗公式R=Z21/Z0，因為是等分，因此/Z0=2Z0=100（Ω）。

以上分析的是單節一分二功分器的設計，因微帶線的頻率響應特性，該類型功分器適用于工作帶寬為中心頻率10%以內的窄帶功分器。

1.3 多節威爾金森功率分配器理論

本文所設計的功分器使用的頻率范圍為600 MHz～6000 MHz，遠遠超出單節功分器工作范圍。為滿足功分器的工作頻率范圍，和其他一些寬頻帶器件一樣，采用多節阻抗變換的方式，增加功分器的阻抗變換節數，增加λg/4線段和相應的隔離電阻的數目。一個N節寬帶等分功分器的一般形式如圖3所示。

在N節二等分功分器中，各節的特性阻抗Z1，Z2，…，ZN數值可由偶模等效電路按λg/4階梯阻抗變換器合成法求得，對于隔離電阻R1，R1，…，RN，同樣可以采用階梯阻抗變換器的分析方法求得。本文功分器工作頻率范圍600 MHz～6000 MHz，相對帶寬=1.64，通過查表需要七節功分器才能滿足相對帶寬，七節功分器的特性阻抗及隔離電阻的歸一化值如下表1所示。

2設計與仿真

2.1印制板設計

本文使用的微帶板材的介電常數εr為3.5，介質板厚度h為0.762 mm，功分器使用的匹配負載為50 Ω，帶入公式（3），計算得到50 Ω微帶線寬為1.67 mm。本文設計的七節二等分寬帶功分器的設計步驟為：

a）根據表1中七節阻抗變化特性阻抗Z的歸一化阻抗值，可得到對應的微帶線寬度。特性阻抗：Z1：1.13*50，Z2：1.21*50，Z3：1.30*50，Z4：1.13*50，Z5：1.13*50，Z6：1.13*50，Z7：1.13*50。再將介電常數εr為3.5，介質板厚度h為0.762 mm帶入公式（3），計算出功分器各變換節的對應線寬。同時根據表1 中七節阻抗變化隔離電阻值的歸一化阻抗值，得到對應的變換節隔離電阻值。R1：8.85*50，R2：12.32*50，R3：8.92*50，R4：6.40*50，R5：4.35*50，

R6：2.59*50，R7：4.97*50。將得到的數據按圖3所示，在ADS射頻仿真軟件中對功分器進行建模，建模時需注意，寬帶功分器兩臂之間的距離應根據寬帶功分器所使用隔離電阻的封裝尺寸大小來確定，兩臂之間的間距不宜過大，一般控制在3倍微帶線寬度以內，這樣可以有效地降低跨接在功分器兩臂之間的隔離電阻所帶來的寄生效應。考慮到實際加工誤差，在1：2寬帶功分器輸入口加一段低阻抗的變換段，以增加微帶線變換節的線寬，后續作為調試預留手段，盡量減少加工誤差的影響。建模后的寬帶功分器如圖4所示。

b）通過ADS仿真功分器的S參數，在仿真過程中，可根據仿真結果對微帶線參數和隔離電阻值進行微調。寬帶功分器ADS仿真模型的S參數仿真數據如圖5所示。

2.2屏蔽盒設計

寬帶功分器的屏蔽盒主要起電磁屏蔽作用，同時也對寬帶功分器的印制板起機械保護和環境保護作用，常規的微帶電路盒體一般采用鋁合金作為盒體材料，本文直接借用已有5A05鋁合金做成的屏蔽盒。屏蔽盒除了需要牢固、屏蔽良好外，還需避免對功分器電路中電場的擾動，最好做到蓋板離電路的距離在5～10 h以上（h為印制板基片厚度）。最靠邊緣的導體帶條距屏蔽盒側壁的距離應在3 h以上，注意避免工作頻率接近屏蔽盒的諧振頻率，以防出現部分能量被吸收，造成衰減尖峰，從而影響功分器在該頻率的性能。如果產生了諧振，可采取金屬化過孔隔離柵來去除腔體諧振的影響，本文所設計的功分器外形尺寸為70 mm（長）×50 mm（寬）×20 mm（不包含連接器）。

3調試與測試

本文所設計的寬帶功分器的頻率范圍最高已達6000 MHz，因條件限制，采用螺釘將微帶板安裝在腔體內，但由于功分器的頻率高端已達6000 MHz，螺釘安裝方式不能使微帶板背面完全接地，影響了功分器的接地效果，帶來的結果是功分器在頻率高端時，因接地效果惡化而影響功分器的駐波系數。如條件允許，建議采用將整個印制板直接焊接在屏蔽盒內的方法，以增強微帶印制板的接地效果。同時為了降低隔離電阻帶來的匹配性影響，隔離電阻盡量焊接在λg/4變阻器和輸出線的交界處。該寬帶功分器的實測數據結果如圖6所示。各端口電壓駐波比不大于1.5;輸出端口幅度一致性不大于±0.3 dB;輸出端口相位一致性不大于10°;輸出端口之間隔離度不小于16 dB。功分器主要技術指標，基本滿足一般使用要求。

4結論

本文中設計的功分器具有體積小、重量輕、承受功率大、一致性好、性價比高等特點，本文中設計的功分器其覆蓋移動通信頻率與WIFI應用頻率的設計，便于實現標準化、模塊化和通用化，也易于批量生產，能夠很好地應用于目前的通信系統中。

參考文獻：

[1]清華大學《微帶電路》編寫組. 書名.北京：清華大學出版社，1972

作者簡介：王兵 ? 男，1984年04月，畢業于電子科技大學，本科，雷達設計;周連成 男，1993年03月，畢業于南京理工大學，研究生，雷達總體設計;周曉花 女，1982年12月，畢業于南京郵電大學，本科，雷達設計;彭濤，男，1989年02月，畢業于東北大學，本科，雷達設計。