4路宽带Wilkinson功分器设计
时间：2022-05-27 17:28:01 浏览次数：次
摘要：针对雷达和中继通信系统对宽带多路功分器的需求，本文在理论分析的基础上，利用ADS2016软件设计了一款应用于L波段的1分4路Wilkinson宽带功分器。仿真和测试结果表明，该功分器具有隔离度大于20 dB，插入损耗小于6.2 dB，驻波比小于1.2的优良性能，为L波段功率放大器的大功率合成奠定了良好的设计基础。
关键词：功分器；宽带；Wilkinson；微波
中图分类号：TN626 文献标识码：A 文章编号：1672-9129（2017）04-0011-04
Design of Four Ways Broadband Wilkinson Power Divider
SUN Limin1*， PAN Chengsheng2， HAN Huazhen1
（1. Electronic information engineering college， Sichuan Institute of Industrial Technology， Sichuan Deyang， 621000， China； 2. Microwave Department Sichuan Jiuzhou Electric Group Co.，Ltd.， Sichuan Mianyang， 621000， China）
Abstract：In view of the demand of radar and relay communication system for broadband Power Divider of multi-path， a four ways broadband power divider covering L-band has been designed by ADS2016 software based on the theoretical analysis. Simulation and test results show that the power divider has excellent performance with isolation degree of more than 20 dB， insertion loss of less than 0.2 dB and standing wave ratio of less than 1.2. The power divider provides a good design basis for high-power synthesis of L-band power amplifiers.
Key words：Power Divider；wide Band；Wilkinson；microwave
引用：孫利民， 潘成胜， 韩华珍. 4路宽带Wilkinson功分器设计[J]. 数码设计， 2017， 6（4）： 11-14.
Cite：SUN Limin， PAN Chengsheng， HAN Huazhen. Design of Four Ways Broadband Wilkinson Power Divider[J]. Peak Data Science， 2017， 6（4）： 11-14.
引言
功分器是一种将一路输入信号分成功率相等的两路或多路输出信号的器件，也可反过来将多路信号功率合成一路输出，因此常称为分配＼合成器。功分器广泛的应用于微波电路中，是雷达和中继通信系统获取大功率的重要组成部分。随着宽带滤波器、宽带天线和宽带功率放大器的发展[1]，对功分器的带宽要求越来越高，对高性能带宽功分器的需求也越来越多[2]。在无线电发射设备中，通常采用功率分配技术将一路射频信号用功分器分成多路，然后运用功率放大器分别放大各路信号，最后再用功分器将这多路信号合成为一路射频信号，这是获取更高输出功率的有效途径[3]。
自1960年Wilkinson发表了N路耦合的功分器之后[4]，Wilkinson功分器越来越受到人们的重视，并得到了广泛的研究。Wilkinson功分器设计简单，具有良好的幅度相位特性，常应用于混频器、微波功率传感器等微波电路中。随着微波电路的高度集成化和宽频带，传统的 Wilkinson功分器已经不能满足射频电路的设计要求。因此如何实现体积小、能耗低、隔离度高的Wilkinson功分器，已成为人们研究的重点。
本文对Wilkinson结构的功分器进行了设计和研究，采用多节阻抗变换器级连[5]的方式，实现了宽频带、低损耗和小型化。
1 工作原理
威尔金森（Wilkinson）功率分配器具有将输入的信号等分或者不等分地分配到输出端口的功能，并保持输出相同的相位。二等分功率分配器为一个三端口网络，普通的三端口网络输出端口无隔离电阻，不能够实现完全匹配。威尔金森功率分配器在输出端加隔离电阻R可以实现输出端口的隔离和匹配。图1为威尔金森功率分配器的基本电路结构。
图 1 单节威尔金森功分器的基本电路结构
其中，R为隔离电阻，实现输出端口之间高度的隔离。输入、输出端口特性阻抗均为Z0，两段分支微带线电长度为λ/4，特性阻抗为Z01/2，实现阻抗变换。
图1所示的电路具有很好的对称性，从端口1输入的信号，会以等功率、等相位的信号在输出端口输出。因为经过R电阻的信号等电位，所以R上不会有电流流过。当信号从端口3输入时，一路信号通过微带线到达端口2，另外一路信号则经过隔离电阻R到达端口2，选择合适的R，可以使得两路信号相位刚好相差180°，相位抵消，从而实现端口2和端口3的隔离。当隔离电阻的阻值大小为2Z0时，可以实现输出端口的良好驻波比。
图1的威尔金森功率分配器电路结构工作带宽较窄，为了实现宽带功率分配器，需要引入多节阻抗变换器，即增加电长度为λ/4的微带线节数和对应的隔离电阻。本设计中的宽带功分器采用多节阻抗变换器来实现，阻抗变换器各节之间产生的反射信号相互抵消，从而实现工作频带的展宽，完成宽带的匹配。通常，功分器的带宽和节数成正比，节数越多，带宽越宽，但是节数越多，必然引起电路的复杂程度和大的插损，因此要根据需求设计合理的阻抗变换器节数。
如图2是宽带二分功率分配器的基本电路结构。从1端口输入的信号，分成两路从2端口和3端口输出。功分器的每条支路上的四分之一波长变换器是为了使输入输出匹配，隔离电阻R是保证输出端的隔离度。考虑到多节阻抗变换器比单节阻抗变化器有更宽的带宽，因此为了增加带宽，在输入端引入四分之一波长阶梯阻抗变换器。
式中，K2为功率分配比，P2、P3分别为端口2和端口3的输出功率，设P2=P3，K=1，则功率等分。各节阻抗变换器的长度都是该节微带线在中心频率上波长的1/4，也就是电长度都是π/2。将此一分二功分器级联，可以设计出性能优良的一分四功分器。
2 宽带功分器设计
本文设计一款L波段一分四功分器。其频率范围为：1～2GHz，输入输出驻波比小于1.2，隔离度小于-20dB，插入损耗小于6.2dB。
传统的设计是通过理论计算出微带线的尺寸参数和隔离电阻的阻值R，这种方法设计周期长，误差较大，为了设计出良好的性能，本文采用ADS2016仿真软件进行原理图版图联合仿真。ADS2016是Agilent公司推出的最新版本EDA软件，集成了从IC级到电路级直至系统级的仿真模块，内含基于矩量法的电磁仿真模块和基于有限元法的3D电磁场仿真器，极大的提高了设计的效率。
2.1 原理圖仿真
威尔金森功分器电路由输入端口电路、阻抗变换电路和输出端口电路组成。功分器分支线间使用隔离电阻增加传输端口之间的隔离度。基本的电路结构设置好后，要重点进行基板参数设置，选择微带线参数设置控件微带基板（MSUB），基板材料采用F4B-2，微带线介质基片的相对介电常数Er为2.55，微带线介质基片的相对磁导率为1，微带线介质基片的厚度0.8mm，微带线金属片的厚度为0.03mm，微带线的损耗正切角为1e-4；由功分器的理论分析可知，输入输出端口微带线的特性阻抗为50欧姆，四分之一波长微带线的特性阻抗为70.7欧姆。用ADS2016自带工具LineCalc计算出中心频率1/4波长的微带线长度和宽度，端口接50Ω电阻，然后设置优化目标，设计好的原理图如图3所示。
为了便于参数的优化，在原理图中插入VAR控件，设置优化参数，文中针对每节阻抗变换器的微带线长度和宽度设计了8个优化参数。设置好优化参数后，还需要选择优化方式和优化目标，分别是“Optim”（优化设置控件）和“Goal”优化目标控件。常用的优化方法有梯度和随机，梯度法常用于局部收敛，而随机法常用于大范围搜索，本文采用随机法。
文中总共设置了四个优化目标，分别为S（1、1）、S（2、1）、S（2、3）、S（2、2）。由于电路的对称性，其他S参数不再设置优化目标，S（1、1）、S（2、2）分别为输入输出的发射系数，S（2、3）为设定输出端口间的隔离度。S（2、1）为设定输入输出端口间的插损。双击Goal控件对目标进行参数设置。
2.2 仿真结果
设置好优化方式和优化目标后，对原理图进行S参数仿真。图4为输出端口2、3、4和输入端口1之间的插损，从图4可知在频率2GHz时，S21最大为-6.199dB，在1.2GHz时插损最小，约为-6.1dB，整个频带内插损小于6.2dB，性能良好，满足指标。由于电路的对称性，S31、S41和S21仿真结果一致。图5为功分器输入输出驻波的仿真结果，在所设计的频带内，功分器的输入端口Port1 和输出端口Port2 驻波VSWR 均小于1.2。隔离度是功放器的重要指标之一，图6为功分器隔离度的仿真结果，端2和端口3之间的隔离度在1GHz～2GHz内小于设计值 20dB，性能良好。
3 实物测试
根据ADS2016版图联合仿真的结果加工功分器，使用ProE三维仿真软件设计腔体，腔体材料为铝，并做表面导电氧化，功分器输入输出端口采用SMA接头。实物如图7所示。
使用矢量网络分析仪对功分器实物的输入输出插损进行测试，整个频带1GHz-2GHz范围内插损小于6.2dB，性能良好，满足指标。将S21测试结果和仿真结果对比如图8所示：
由图8可知，实测结果和仿真结果具有良好的一致性。
4 结论
本文采用多节阻抗变换器级连的方式，对L波段的1分4路威尔金森功分器进行了设计和研究，利用ADS2016仿真软件进行协同仿真并制作出了实物，实测结果和仿真结果基本吻合。表明该Wilkinson功分器在L波段具有优良性能，其隔离度大于20 dB，插入损耗小于6.2 dB，驻波比小于1.2，可广泛应用于通信、功率分配合成系统。
参考文献：
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[3]周巧仪， 崔富义， 张智靓. 8路超宽带Wilkinson功分器设计. 火控雷达技术. 2017， 37（2）： 108-112.
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[5]王良全， 黄世震. 基于FPGA的WALLACE TREE乘法器设计[J]. 现代电子技术， 2011， 3， 4（16）： 113- 115.