一種C波段一分八微帶功分器的設計

馬 瑞

（北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070）

1 概述

功分器是一種在鐵路通信系統中被廣泛應用的無源器件，其基本功能是將一路輸入信號能量分成兩路或多路輸出相等或不相等的能量。逆過程即為功率合成器。微帶形式的功分器具有體積小、易集成等優點，但也受到微帶帶寬窄的限制。為增加微帶功分器的帶寬，可以通過多節阻抗變換實現，不同阻抗變換可以產生更多的諧振點，當兩個諧振點距離很近且在微帶功分器中心頻率附近時，就達到了增加目標頻率帶寬的目的。本文考慮想要覆蓋的帶寬范圍，設計了兩節傳輸線和兩個不同的隔離電阻的結構，這種結構不僅能增加帶寬，還可以增加兩個相鄰端口之間的隔離度。

兩節一分二等分功分器結構，如圖1所示。這個兩節一分二等分功分器主要由兩對λ/4線段以及兩個橋接隔離電阻組成。兩節傳輸線阻抗變換器在中心頻率為f時的特性阻抗分別為Z1和Z2，隔離電阻為R1和R2，寬帶功分器頻率范圍為f1～f2。

圖1 Wilkinson功分器結構Fig.1 Structure of Wilkinson power divider

根據微帶電路理論以及公式（1）、（2）、（3）可得：Z1=82 Ω、Z2=61 Ω、R1=98 Ω、R2=241 Ω。利用傳輸線計算工具，輸入介質介電常數、厚度、損耗角正切值，中心頻點等參數，可以計算每段傳輸線的初始線寬，傳輸線長度約為λ/4，將這些值設為仿真初始值，通過實際建模仿真優化可以確定兩節二等分功分器的尺寸。一分八的功分器可以由三個一分二的功分器級聯組成。

2 一分八功分器的設計與仿真

根據功分器各端口距離的遠近，設計兩種功分器形式。功分器均采用介電常數εr=2.2，厚度為0.508 mm的Rogers5880的板材，饋電形式采用同軸饋電，設計仿真包含微帶到同軸的過渡。

功分器的參數主要包括端口反射系數、相鄰端口隔離度、輸出端口幅度和相位的一致性。端口反射系數為反射波與入射波的振幅比，端口反射系數影響輸出信號的大小，相鄰端口隔離度越大表示端口之間泄漏和干擾越小，輸出端口的幅度和相位是否一致反映功分器是否為等分的功分器，其中輸出端口的幅度還可以反映出功分器的損耗，由于本文設計的功分器為一分八等分功分器，理想狀態下八等分功分器的分配損耗為9 dB,實際的功分器輸出端口的幅度越接近9 dB,說明損耗越小。

設計的兩種功分器仿真結果如下。

1）功分器各端口距離較近時，結構如圖2所示。功分器的仿真結果如圖3所示，從仿真結果可以看出，在5.15～5.85 GHz的頻率范圍內，功分器反射系數小于-14.5 dB，各端口之間的隔離度大于25 dB，各端口的幅度偏差小于0.1 dB，8個端口的損耗均小于1.1 dB，相位基本一致。

圖2 一分八功分器結構Fig.2 Structure of an eight-way microstrip divider

圖3 功分器各端口距離較近的仿真結果Fig.3 Simulation results of the power divider

2）功分器各端口距離較遠時，結構如圖4所示。功分器的仿真結果如圖5所示，從仿真結果可以看出，功分器的反射系數小于-15 dB，各端口之間的隔離度大于20 dB，輸出端口的幅度差異小于0.15 dB，8個端口的損耗均小于1.24 dB，相位基本一致。

圖4 端口距離較遠的一分八功分器結構Fig.4 Structure of an eight-way microstrip divider with longer distance between ports

圖5 功分器各端口距離較遠的仿真結果Fig.5 Simulation results of the power divider

3 結論

本文基于Wilkinson功分器設計原理，設計了一種C波段一分八的等分功分器，又根據實際應用中各端口相距位置可能發生改變，設計一種變形的形式，從仿真結果可以看出設計基本滿足要求，可以應用在EUHT項目中。根據不同的頻段，計算不同的微帶線寬、阻抗值，可以得到適合更多應用場景的微帶功分器，廣泛應用于軌道交通各個通信系統之中。