X波段高隔離度功分器設計

寧宇航 洪洋

電子科技大學物理學院 四川 成都 611731

引言

隨著無線技術的發展，射頻無源電路中的器件對整個系統產生影響，所以設計性能良好的電路器件是至關重要的[3]。針對微波射頻電路，包括有源電路以及無源電路，有源電路針對的是微波信號，通過電路對微波信號進行調制，比如常見的有源電路，倍頻器、混頻器、放大器、檢波器和變頻器。無源電路包括有耦合器、濾波器和功分器。對于無源電路設計起來更為簡單，實現的方式也多種多樣，在射頻電路中，滿足傳輸線理論，選擇適合的傳輸線類型進行相關電路的設計，滿足電路要求即可，比如微帶線、槽線和共面波導等[1]不同類別的傳輸線都可以完成功分器的設計。

采取微帶線傳輸線的方式完成電路設計，微帶線更加方便，對于低頻段的電路器件損耗更小，制備情況更加良好。本文采用的是威爾金森功分器的設計方法，因為威爾金森功分器具有更加優秀的幅相特性和簡潔的設計，在工程中應用廣泛[2]。

本文利用HFSS全波仿真軟件仿真設計的是一款一分四的威爾金森功分器，在Rogers 5880基板上加工實物，并進行測試，得到測試結果并與仿真結果進行比對。

1 基本原理

在微波集成電路中，最常見的功分器是三端口網絡，一端口輸入，兩端口輸出。威爾金森功分器是最常見的功分器，應用最為廣泛，威爾金森共分器的每個輸出端口具有寬頻帶和等相位的特性，當功分器的輸出端口都匹配的時候，即輸出端口的阻抗為特性阻抗。輸入輸出口間的四分之一波長的特性阻抗為，也就是。

圖1所示為一分二的等分功分器示意圖，其中需要一個阻抗值為的隔離電阻來保證輸出端口的隔離度設計要求，其中輸出端口的功率分配關系可以由以下公式得到[4]：

圖1 威爾金森等分功分器微帶傳輸線圖

依此公式也可設計出所需要的端口功率比的功分器，但其在最終的使用時仍需對端口進行阻抗匹配，使得阻抗匹配至特性阻抗。

圖2 威爾金森不等分功分器微帶傳輸線圖

功分器具有若干重要的指標：插損、回損、端口隔離度、端口輸出相位差以及幅值差。這些指標是檢測和衡量功分器性能的重要依據。

2 設計仿真優化

首先確定一分四用功分器的性能指標，確定頻點為8.3GHz，且使其具有一定的工作帶寬，利用有限元全波仿真軟件HFSS 15.0版本進行電磁模型構建和仿真，利用微帶線計算公式計算得到微帶線的長度，包括70.7歐姆的四分之一波長線長度，通過設計優化得到四分之一波長微帶線的曲折長度，留足隔離電阻的距離，類似于封裝好的電阻0805型，0402電阻，越小的電阻對于功分器的性能影響越小，0805電阻對于功分器性能影響更大，類似于插損這類性能，會增加插損的值。經過數學計算得到具體的模型數據，對輸入輸出端口加載波端口，并加載空氣盒子對模型進行仿真，在0～12GHz頻段進行仿真，得到仿真的結果插損小于6dB左右，其中四個端口的輸出相差小于1°，各端口間隔離度大于十幾個dB等。

在一分二的威爾金森功分器的設計基礎上，設計一分四的等功率分配功分器，在設計中加入隔墻增加輸出口的隔離度，利用有限元全波仿真軟件HFSS對功分器進行設計并進行仿真優化，得到電磁三維模型。

圖3 一分四功分器HFSS模型圖

設計的功分器有四個輸出端口，對端口進行標號，設置其中的一些參數并對其中微帶線進行了切角優化，防止微帶尖端輻射電磁對性能造成影響。模型圖中有3處利用HFSS的Lumped RLC功能設置了集總參數電阻，電阻阻值為100歐姆，是特性阻抗值的兩倍，其中，HFSS軟件中是利用該功能用于模擬實際的電阻的性能進行電磁與集總參數電路的聯合仿真。并且輸出端阻抗值為50Ω，可直接與SMA接頭相連。

在HFSS中對模型添加空氣盒子并對空氣盒子的參數優化并進行仿真，防止電磁溢出，在HFSS中查看仿真數據，查看功分器的最主要的幾個參數，包括插入損耗、輸出端口相位差及隔離度：

圖4 HFSS仿真結果

3 設計實現

對器件進行實物加工，電路基板采用Rogers 5880基板，厚度選取0.254mm，工藝電鍍表面鍍金1～2μm，腔體采用硬鋁材質，表面氧化處理，以及用于裝配的壓塊，繼而相應地做了一套腔體用于裝配電路，對器件進行版圖繪制，利用Auto CAD工具對功分器的電路以及腔體圖進行設計，腔體用于屏蔽外界電磁干擾，經HFSS本征模計算腔體諧振對電路無影響。焊接0805封裝電阻在功分器電路上3處。焊接SMA接頭，保證焊接少量焊錫，保證插損值足夠小，對器件性能影響不大。

圖5 一分四功分器版圖

得到實物加工圖如圖6所示，利用酒精對電路板進行清洗，用顯微鏡觀察電路以及導電膠之間的連接并用手術刀進行刮除，利用安捷倫矢量網絡儀E3836測試功分器，其余端口接匹配負載。測試S21、S31、S41、S51各個輸出端口與輸入口的插損以及相位，測試S23、S34、S45等，輸出口間的隔離度等，測試圖如圖7所示。

圖6 一分四功分器實物及測試圖

圖7 測試結果圖及測試環境

4 結束語

通過對理論知識的應用，利用全波仿真軟件仿真設計了一分四用功分器，并做出實物進行相關的測試與仿真結果進行比對完成整體設計，最終可使隔離度大于20dB，滿足設計要求。