一種寬帶功分器的小型化設計與實現

謝尹政 張利彬 張明 付振坤 李曠代 蔣睿

摘要：基于傳統單節威爾金森功分器結構，通過在輸出枝節添加階躍阻抗結構和額外的傳輸線進行工作帶寬拓展及輸出端口寬帶匹配，構建了一種小型化寬帶功分器設計結構。利用奇—偶模分析法與ABCD矩陣對該結構進行了分析計算。最終設計實現的寬帶功分器尺寸為9 mm×12 mm，在8～16 GHz工作頻段內，插入損耗小于1.2 dB，端口駐波優于1.5 dB，輸出隔離度大于14 dB。該功分器具有結構簡單、體積小、工藝實現難度低的優點。

關鍵詞：威爾金森功分器；階躍阻抗；奇—偶模法；ABCD矩陣

中圖分類號：TN626文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2022）11-68-4

功率分配器/合成器作為一種通用型的微波器件，廣泛應用各類無線通信及雷達系統。超寬帶技術[1-2]具有寬帶頻譜資源、快速的系統傳輸速率、高精度定位能力和低截獲概率等特點，對提高無線通信系統的傳輸速率、信息容量和抗截獲概率等性能提供了實現手段，同時超寬帶技術的應用，使雷達系統的多徑分辨率、定位精度得到了提升。功分器作為微波系統中的重要無源器件，對其基本原理和設計技術的研究已十分廣泛。功分器從結構上可分為單層平面式功分器和多層立體式功分器；從工作帶寬上可分為窄帶功分器和寬帶功分器；從分功率分配上可分為等分功分器和不等分功分器。功分器在微波系統中各類功能模塊進行了大量的應用，可用于放大器電路的功率合成，可用于陣列天線的功率控制與分配，以及混頻電路的信號分配與合成等系統及功能電路。由于功分器作為多信道微波系統中不可或缺的器件，其工作帶寬也直接確定了微波系統的工作帶寬，隨著超寬帶技術的興起，超寬帶性能的功分器研究成為日益熱門的研究方向。

針對功分器超寬帶性能的研究，基于傳統單節威爾金森功分器的設計結構，通過在功分器輸出枝節增加開路短截線提高功分器的工作帶寬，并通過調節傳輸線的電長度對輸出端口進行寬帶匹配，以實現小型化超寬帶功分器的設計，比常見的多節形式的寬帶功分器[3]體積減小30%以上。

1.1寬帶功分器設計原理

功分器設計的結構形式有T型功分結構、電阻型功分結構、威爾金森功分結構及其他結構。T型功分結構形式簡單，理論上為無損耗的三端口網絡結構，無法做到3個端口同時完全匹配，不適用于現有功分網絡系統。而電阻型功分結構，由于其電阻器件會造成一定的功率熱量損耗，導致功分器插入損耗較大，且輸出端口隔離度較差，不符合現有功分網絡器件低損耗、小體積和集成化的設計要求。威爾金森功分器[4-6]作為目前較為常用的功分器設計形式，通過在輸出兩端口間引出隔離電阻，使威爾金森功分器變為一個有損耗的三端口網絡器件，可實現3個端口的同時匹配，同時，在輸出端口間可實現良好的端口隔離性能。威爾金森功分器具有結構簡單、輸出端口一致性好和輸出端口隔離度較高等特點，是目前最為成熟的功分網絡設計結構。

但常規的單節威爾金森功分器工作相對帶寬約為20%，且在工作帶外其性能急劇下降，不易實現寬帶性能設計。為拓展威爾金森功分器的工作帶寬，目前常采用多節功分器進行設計，利用多節結構，構建多個不連續傳輸節點，能夠有效地減少或消除由各阻抗不連續點處產生的反射波，從而使各段傳輸線相互匹配，最終達到展寬頻帶的目的。文獻[7]采用4節威爾金森功分器，實現了4～18 GHz的超寬帶功分器設計，文獻[8]采用多級威爾金森功分器的設計思路實現了超寬帶功分器。利用增加威爾金森功分器級數的設計方式，雖然提高了功分器的工作帶寬，但多級結構帶來了設計復雜性與工藝的高精度要求。

針對功分器超寬帶性能設計要求，利用寬帶傳輸線匹配原理，構建基于單節威爾金森功分器結構形式的寬帶功分器結構，寬帶功分器的設計原理框圖如圖1所示。寬帶功分器由一個功分結（Y型結），通過構建兩部分長度分別為/4和2的傳輸線，在1/4波長主路傳輸線后，額外增加一段同主路傳輸線特征阻抗相同的傳輸線（特性阻抗為2），電長度為2。同時，引入一段特性阻抗為1，電長度為1的階梯阻抗開路短截線進行功分器工作帶寬拓展，通過調節階梯阻抗開路短截線的電長度和特性阻抗，拓展了功分器工作帶寬。同時利用一個隔離電阻實現了輸出兩端口的端口隔離。

當功率從端口1進入時，通過Y型分支結構將信號分為2路，分別進入2路/4的主傳輸線進行傳輸，經引入電長度為

1的階梯阻抗開路短截線，對信號進行寬帶工作頻率下的阻抗匹配后，再通過電長度為2的微帶線進行輸出端口匹配，最后等幅同相從端口2和3輸出，實現功率分配的功能。中間的隔離電阻，直接聯通端口2和3，使得從端口2經由功分結到達端口3的信號比直接從端口2經電阻R到達端口3的信號多走半波長的距離，2類信號在端口3處形成180°的相位差，從而被抵消掉。同理，從端口3進入的信號到達端口2時也會被抵消，從而實現兩輸出端口間的信號隔離性設計要求。

1.2寬帶功分器傳輸特性分析

對于對稱的線性二端口網絡來說，其激勵也可分解為具備反對稱性的奇模（odd）激勵和具備對稱性的偶模（even）激勵，在通過2種模式下的特征參數線性疊加而獲得線性二端口網路特性。對于奇模激勵的對稱二端口網絡，兩端口處添加的激勵等幅反向，對稱面電特性與理想電壁等效，整個網絡可化簡成兩個在對稱面短路的相同單端口網絡；相反，偶模激勵時，2端口處的激勵等幅同向，對稱面可視為理想磁壁，整個網絡可化簡成2個在對稱面開路的相同單端口網絡。

如圖1所示，超寬帶功分器采用對稱結構進行設計，參考傳統單節威爾金森功分器設計方法，可以利用奇—偶模法[9-10]進行分析，將功分器簡化為奇模形式和偶模形式的兩端口電路進行分析，功分器奇模等效電路如圖2所示。將功分器的傳輸特性用級聯的兩端口網絡的ABCD矩陣參數進行表示，繼而推導出功分器的S參數，最終得到功分器的傳輸特性。

采用奇—偶模法分析方法，依據功分器工作帶寬要求，采用相對介電常數r=2.94，厚度=0.239 mm的CLTE-XT基板進行功分器設計。利用電磁仿真軟件HFSS對寬帶功分器進行仿真設計，設計完成的功分器如圖4所示，階躍阻抗采用扇形結構進行匹配，比矩形結構體積更小，寬帶匹配效果更佳。優化后的各結構參數如表1所示，整個功分器尺寸為9 mm×12 mm。

優化后的功分器仿真結果如圖5所示。可以看出，在8～16 GHz工作頻段內，輸出端口一致性較好，插入損耗小于0.2 dB。各端口匹配良好，駐波小于1.32。輸出端口間隔離度大于14 dB。

根據表1的寬帶功分器仿真優化后結構參數進行電路板加工和測試結構件設計，實物如圖6所示。隔離電阻采用0402封裝電阻，阻值100Ω，測試盒尺寸按照HFSS仿真模型進行加工，功分器輸出輸入端口通過SMA連接器進行饋電與傳輸。測試盒與功分器電路板背面地層采用焊接形式進行連接。SMA連接器的焊針下側需略高于電路板焊接焊盤上表面，距離控制在0.2 mm以內，避免在寬帶工作頻段內，連接器與基板焊接處間隙過大帶來連接處的不連續性，影響功分器測試結果。

最終完成的寬帶功分器利用矢量網絡分析儀（Agilent N5244A）對其工作性能進行測試，在對功分器器件進行輸出端口2的插入損耗和駐波測試時，矢量網絡分析儀兩端口分別接入端口1和端口2，對未使用的端口3通過接入50Ω負載進行匹配，同理，在測試輸出端口3時，將端口2進行50Ω負載匹配，最終得到的測試結果如圖7所示。該寬帶功分器在8～16 GHz工作頻段內，插入損耗小于1.2 dB，帶內起伏小于0.5 dB，各端口駐波優于1.5，且輸出端口隔離度大于14 dB。

基于單節威爾金森功分器設計結構，通過在輸出枝節增加階梯阻抗開路短截線結構來拓展功分器的工作帶寬，并插入適宜電長度的主路微帶線進行輸出端口匹配，實現寬帶功分器的設計結構構建。通過奇—偶模分析法與ABCD矩陣對該功分器進行了分析計算，得到功分器傳輸特性分析，最終設計完成的寬帶功分器尺寸為9 mm×12 mm，在工作頻率8～16 GHz頻帶內，插入損耗小于1.2 dB，各端口駐波優于1.5，輸出端口間隔離度大于14 dB，滿足工程使用要求。該寬帶功分器結構簡單、尺寸小、工藝實現難度低，可以廣泛使用于各類寬帶通信及雷達系統。網絡提供有力支撐。

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