ETC一分四不等比Wilkinson功分器的設(shè)計與實現(xiàn)

王爍 吳純杰 江良 董麗元

（1.天津科暢慧通信息技術(shù)有限公司 天津市 300300 2.天津仁愛學(xué)院 天津市 301636）

功分器全稱功率分配器，是將輸入信號分成相等或者不等的多路信號輸出的一種多端口微波器件，即將發(fā)射功率按照一定比例分配到各發(fā)射單元，其在射頻通訊系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。Wilkinson功分器是其中一種常見功分器，不僅有良好的幅度相位特性而且設(shè)計簡便。

電子不停車收費(ETC)的相控陣天線單元通過對每個天線陣子的信號幅度和相位進行調(diào)整，形成所期望的輻射方向圖，從而實現(xiàn)對ETC車輛的實時通訊和交易。本文介紹的一分四不等比Wilkinson功分器是在一分二等比和一分二不等比功分器基礎(chǔ)上級聯(lián)而成，除了設(shè)計所要求的功分分配比例之外，考慮到系統(tǒng)相位調(diào)整，重點優(yōu)化四個輸出端口等相位差和駐波參數(shù)，使用ADS進行初步設(shè)計，并用Sonnet進行最終三維電磁仿真，制作實物并進行測試，測試結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)基本吻合。

1 Wilkinson功分器基本原理

簡單的等分功率分配器是一個三端口網(wǎng)絡(luò)，且輸出端口無隔離電阻，不能夠?qū)崿F(xiàn)完全匹配，而Wilkinson功分器的對稱性保證了信號的平衡度，同時輸出端的隔離電阻R進一步提高了輸出端口的隔離度和匹配度，同時通過改變兩個輸出分支線的特性阻抗，即可實現(xiàn)任意功分比的分配。圖1為Wilkinson功分器的基本電路結(jié)構(gòu)。

圖1：Wilkinson功分器基本結(jié)構(gòu)圖

任意功分比Wilkinson功分器的計算公式如下：

通過上述公式可計算不同功分比下的阻抗值，考慮實際加工中最小線寬為4 mil=0.1016 mm，通過Rogers公司軟件Microwave Impedence Calculator計算板材RO4350B-20MIL對應(yīng)阻抗值大約為133Ω，考慮到Z0A阻抗范圍應(yīng)該小于133Ω較為實際，其對應(yīng)功率差值范圍為-4dB～-5dB，即實際功分器兩路幅度不平衡度應(yīng)于此范圍較為合理。

2 Wilkinson功分器的設(shè)計

2.1 功分器的技術(shù)指標

本文所設(shè)計的功分器的技術(shù)指標如下：

工作頻率范圍：5.83GHz～5.84GHz，四輸出端口功分比為：1:2.8:2.8:1，即端口3與端口2或者端口4與端口5功率差值均應(yīng)該≥4.5dB，相位不平衡度≤1°，端口駐波<1.5，隔離度≥15dB。

2.2 單節(jié)功分器的設(shè)計

考慮到與天線陣子端口對稱，整個功分器采用一分二等比功分器和兩個一分二不等比功分器的級聯(lián)方案，該方案的相位平衡度控制也較為簡便。

首先計算出中心頻點5.835GHz對應(yīng)特性阻抗Z0=50ohm的傳輸線寬度和四分之一波長線長度值，以及PA-PB=-4.5dB情況下計算得到功分器各部分的物理參數(shù)，在ADS原理圖搭建一分二不等比功分器的初步模型，并優(yōu)化各部分分支寬度、隔離電阻走線寬度等變量參數(shù)實現(xiàn)設(shè)計指標，一分二不等比功分器-4.5dB的仿真優(yōu)化結(jié)果S11=-32.137dB，S22=-23.376dB，S33=-24.522dB，S31-S21=4.5358dB，Phase(S31)-Phase(S21)=0.0847°。一分二等比功分器可借助ADS設(shè)計向?qū)瓿勺詣踊鞒蹋催x擇模型DA_WDCoupler1至原理圖，借助工具DesignGuide里面的Passive Circult-Deign Assitant自動生成整體設(shè)計。

2.3 功分器的總體設(shè)計

表1：Sonnet仿真結(jié)果-幅度平衡度

表2：Sonnet仿真結(jié)果-相位平衡度

表3：功分器-駐波比

表4：功分器-隔離度

首先，將等比功分器和不等比功分器原理圖合入同一張圖，設(shè)置相關(guān)變量和電路優(yōu)化，完成初步的整體設(shè)計，然后，將其原理圖生成至Layout圖，修改圖形后生成器件模型EM-Component-Creat EM Model and Symbol，最后，新建原理圖調(diào)入器件模型完成仿真操作，調(diào)整優(yōu)化過程需要在Layout修改和原理圖器件仿真之間反復(fù)操作。

整體結(jié)構(gòu)在協(xié)同仿真后，生成DXF文件導(dǎo)入Sonnet軟件，進行進一步微調(diào)和精確仿真。考慮到后面需要與天線陣子端口對稱，在功分器端口增加了TRL 1/4波長線來優(yōu)化端口駐波和調(diào)整相位平橫度，并對1/4波長線和級聯(lián)微帶線寬度和長度重點優(yōu)化，Sonnet 3D視圖和仿真結(jié)果見圖2所示。

圖2：Sonnet 3D View

圖3：功分器實物圖

3 實物制作和測試

功分器的實物加工采用RO4350B作為介質(zhì)板，相對介電常數(shù)3.66，基板厚度0.508mm，隔離電阻選擇0603封裝，微帶線表面采用開窗處理，且地平面與走線避讓盡可能保證3W距離。

使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對樣品進行測試，結(jié)果如表5～表8所示。從表中數(shù)據(jù)可見，測試結(jié)果與Sonnet仿真結(jié)果較為接近，各項指標基本滿足設(shè)計要求，器件焊接和相位校準是導(dǎo)致相位平橫度指標略微超標的可能因素，同時隔離度和駐波比指標可以通過隔離電阻的更換略微優(yōu)化。

表5：功分器-幅度平衡度

表6：功分器-相位平衡度

表7：功分器-駐波比

表8：功分器-隔離度

4 結(jié)論

本文在一分二Wilkinson功分器基礎(chǔ)上，研究并設(shè)計了一分四不等比功分器，通過加工實物并進行測試，測試結(jié)果與仿真結(jié)果基本較為接近，基本達到了設(shè)計要求。采用ADS原理圖協(xié)同仿真和Sonnet三維電磁仿真，利用兩種軟件的各自優(yōu)點，進行數(shù)據(jù)分析和版圖優(yōu)化，最終確定了實物設(shè)計參數(shù)。該設(shè)計應(yīng)用在ETC相控陣天線單元，可以完成了對遠中近交易區(qū)域的發(fā)射覆蓋和切換，大大提高了ETC車輛的交易成功率和客戶體驗的滿意度。