射頻寬帶Wilkinson功分器的設(shè)計

張紅字　王永慧　樓平　吳湘蓮

摘要：文章設(shè)計了一款工作頻率為1～3GHz的射頻寬帶Wilkinson功分器。該功分器采用3枝節(jié)阻抗變換器級連的方式來擴展帶寬，利用ADS軟件進行設(shè)計、仿真、優(yōu)化，實現(xiàn)了在1～3GHz的頻帶內(nèi)，$21（$31）近似為-3dB，輸入輸出反射系數(shù)小于-18dB，隔離度小于-20dB。

關(guān)鍵詞：Wilkinson；功分器；ADS；反射系數(shù)；隔離度

隨著科技的進步，無線通信系統(tǒng)得到了更廣泛的應(yīng)用，這對射頻電路也有了更高的性能要求，特別是現(xiàn)在超寬帶通信系統(tǒng)的發(fā)展，人們對寬帶射頻器件性能要求也會越來越高。功分器是將送進來的射頻信號功率分成兩路或者多路的器件，還可以根據(jù)要求的輸出端口的功率大小分為等分或者不等分功率的分配器。因此，該器件在射頻領(lǐng)域中有著更為廣泛的應(yīng)用。

1.Wilkinson功分器結(jié)構(gòu)的基本原理

二等分的Wilkinson功分器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，從Port1右起，可以看成是將信號功率一分為二的分路器；如果從Port2，Port3往左看，則可以認(rèn)為它是將兩路的信號功率合成更大功率信號的合路器。功分器要求在需要的頻率范圍，其輸出信號按照指定的功率分配。另外，R可以看成隔離電阻，以保證功分器的2，3端口之間較高的隔離度。功分器關(guān)于電阻是對稱的，且微帶線的特征阻抗為Z₀₁=2Zn，長度為入/4，這就保證了兩路信號經(jīng)過的電長度相同，同時在輸出端口也保證了相同的幅度和相位，這個時候的隔離電阻不會消耗信號能量。匹配使得各輸入輸出端口的反射系數(shù)盡可能的小。Wilkinson功分器不僅具有良好的幅度相位特性而且設(shè)計簡便，是射頻功率合成、天線陣列、混頻器等微波電路設(shè)計中重要的組成部件。

2.寬帶Wilkinson功分器的仿真設(shè)計

由于單節(jié)Wilkinson功分器的狹窄帶寬限制了其在寬帶系統(tǒng)中的應(yīng)用，為了增加帶寬，實現(xiàn)寬頻化，須采用多枝節(jié)阻抗變換器級連的方式來擴展帶寬。本文設(shè)計了一款工作頻率為1-3GHz的寬帶Wilkinson功分器，該頻段覆蓋了北斗、GPs定位系統(tǒng)、WiFi、藍(lán)牙等常見的頻段，非常適合廣泛應(yīng)用。寬帶功分器高低頻率之比為3，需要多枝節(jié)才能實現(xiàn)，但是枝節(jié)多了也會帶來更大的尺寸和更高的損耗，所以枝節(jié)數(shù)也不能選擇太多的，本設(shè)計用3枝節(jié)來實現(xiàn)。

首先根據(jù)各項指標(biāo)，如工作頻帶，輸入輸出反射系數(shù)，功分比，輸出端口之間的隔離度等要求，利用ADS軟件的DesignGuide菜單下的passive circuit工具初步綜合出該功分器的原理圖，包括微帶各枝節(jié)的特征阻抗及隔離電阻的阻值等，再利用其優(yōu)化的功能進行優(yōu)化仿真設(shè)計，如圖2所示。功分器的PCB板選擇最為常見的FR4板材，其基本參數(shù)為板厚為0.508mm，介電常數(shù)為4.2，損耗矯正切為0.01，原理圖的仿真結(jié)果如圖3所示。

從仿真結(jié)果可以看出，端口反射系數(shù)（因為對稱，2端口的反射系數(shù)和3端口的一致，故只給出2端口）都在20dB以下、隔離系數(shù)的值也在：-20dB以下，傳輸損耗在-33dg之內(nèi)，基本符合設(shè)計的要求。

根據(jù)原理圖優(yōu)化好的結(jié)果，在ADS軟件里生成版圖，再通過手動布局，在相應(yīng)裝貼元器件和芯片的地方預(yù)留焊接的空間，同時盡量避免微帶線之間的相互串?dāng)_，并在裝貼元件處加port，以便在接下來的原理圖一版圖聯(lián)合仿真中連接元器件。在版圖的仿真過程中，通過手動調(diào)節(jié)優(yōu)化，最終確定版圖的布局，如圖4N示。

從圖5N以看出，在工作頻帶內(nèi)，端口反射系數(shù)都在-18dB以下、$32的值都在：-20dB以下，傳輸損耗$21在工作帶寬內(nèi)近似等于-3dB，且非常平坦，基本符合設(shè)計的要求。

通過原理圖和圖5的仿真結(jié)果相對比，可以得到兩者的仿真結(jié)果相近且曲線變化方式相似，這樣也說明了原理圖的仿真結(jié)果對版圖的仿真具有非常大的指導(dǎo)意義。

3.結(jié)語

根據(jù)實際需求，利用ADS軟件的強大功能，最終優(yōu)化仿真得到了理想的工作帶寬為1～3GHz的寬帶Wilkinson功分器，驗證了防真軟件在射頻電路設(shè)計中的可行性，為接下來電路板在實際的加工、測試與應(yīng)用過程中起到了積極的指導(dǎo)作用。