4路寬帶Wilkinson功分器設(shè)計(jì)

孫利民*，潘成勝，韓華珍

(1.四川工業(yè)科技學(xué)院電子信息工程學(xué)院，四川德陽，618000；2.四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司微波部，四川綿陽，621000）

4路寬帶Wilkinson功分器設(shè)計(jì)

孫利民1*，潘成勝2，韓華珍1

(1.四川工業(yè)科技學(xué)院電子信息工程學(xué)院，四川德陽，618000；2.四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司微波部，四川綿陽，621000）

針對雷達(dá)和中繼通信系統(tǒng)對寬帶多路功分器的需求，本文在理論分析的基礎(chǔ)上，利用ADS2016軟件設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于L波段的1分4路Wilkinson寬帶功分器。仿真和測試結(jié)果表明，該功分器具有隔離度大于20 dB，插入損耗小于6.2 dB，駐波比小于1.2的優(yōu)良性能，為L波段功率放大器的大功率合成奠定了良好的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

功分器；寬帶；Wilkinson；微波

引言

功分器是一種將一路輸入信號分成功率相等的兩路或多路輸出信號的器件，也可反過來將多路信號功率合成一路輸出，因此常稱為分配合成器。功分器廣泛的應(yīng)用于微波電路中，是雷達(dá)和中繼通信系統(tǒng)獲取大功率的重要組成部分。隨著寬帶濾波器、寬帶天線和寬帶功率放大器的發(fā)展[1]，對功分器的帶寬要求越來越高，對高性能帶寬功分器的需求也越來越多[2]。在無線電發(fā)射設(shè)備中，通常采用功率分配技術(shù)將一路射頻信號用功分器分成多路，然后運(yùn)用功率放大器分別放大各路信號，最后再用功分器將這多路信號合成為一路射頻信號，這是獲取更高輸出功率的有效途徑[3]。

自1960年Wilkinson發(fā)表了N路耦合的功分器之后[4]，Wilkinson功分器越來越受到人們的重視，并得到了廣泛的研究。Wilkinson功分器設(shè)計(jì)簡單，具有良好的幅度相位特性，常應(yīng)用于混頻器、微波功率傳感器等微波電路中。隨著微波電路的高度集成化和寬頻帶，傳統(tǒng)的Wilkinson功分器已經(jīng)不能滿足射頻電路的設(shè)計(jì)要求。因此如何實(shí)現(xiàn)體積小、能耗低、隔離度高的Wilkinson功分器，已成為人們研究的重點(diǎn)。

本文對Wilkinson結(jié)構(gòu)的功分器進(jìn)行了設(shè)計(jì)和研究，采用多節(jié)阻抗變換器級連[5]的方式，實(shí)現(xiàn)了寬頻帶、低損耗和小型化。

1 工作原理

威爾金森（Wilkinson）功率分配器具有將輸入的信號等分或者不等分地分配到輸出端口的功能，并保持輸出相同的相位。二等分功率分配器為一個(gè)三端口網(wǎng)絡(luò)，普通的三端口網(wǎng)絡(luò)輸出端口無隔離電阻，不能夠?qū)崿F(xiàn)完全匹配。威爾金森功率分配器在輸出端加隔離電阻R可以實(shí)現(xiàn)輸出端口的隔離和匹配。圖1為威爾金森功率分配器的基本電路結(jié)構(gòu)。

圖1 單節(jié)威爾金森功分器的基本電路結(jié)構(gòu)

其中，R為隔離電阻，實(shí)現(xiàn)輸出端口之間高度的隔離。輸入、輸出端口特性阻抗均為Z0，兩段分支微帶線電長度為λ/4，特性阻抗為Z01/2，實(shí)現(xiàn)阻抗變換。

圖1所示的電路具有很好的對稱性，從端口1輸入的信號，會以等功率、等相位的信號在輸出端口輸出。因?yàn)榻?jīng)過R電阻的信號等電位，所以R上不會有電流流過。當(dāng)信號從端口3輸入時(shí)，一路信號通過微帶線到達(dá)端口2，另外一路信號則經(jīng)過隔離電阻R到達(dá)端口2，選擇合適的R，可以使得兩路信號相位剛好相差180°，相位抵消，從而實(shí)現(xiàn)端口2和端口3的隔離。當(dāng)隔離電阻的阻值大小為2Z0時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)輸出端口的良好駐波比。

圖1的威爾金森功率分配器電路結(jié)構(gòu)工作帶寬較窄，為了實(shí)現(xiàn)寬帶功率分配器，需要引入多節(jié)阻抗變換器，即增加電長度為λ/4的微帶線節(jié)數(shù)和對應(yīng)的隔離電阻。本設(shè)計(jì)中的寬帶功分器采用多節(jié)阻抗變換器來實(shí)現(xiàn)，阻抗變換器各節(jié)之間產(chǎn)生的反射信號相互抵消，從而實(shí)現(xiàn)工作頻帶的展寬，完成寬帶的匹配。通常，功分器的帶寬和節(jié)數(shù)成正比，節(jié)數(shù)越多，帶寬越寬，但是節(jié)數(shù)越多，必然引起電路的復(fù)雜程度和大的插損，因此要根據(jù)需求設(shè)計(jì)合理的阻抗變換器節(jié)數(shù)。

如圖2是寬帶二分功率分配器的基本電路結(jié)構(gòu)。從1端口輸入的信號，分成兩路從2端口和3端口輸出。功分器的每條支路上的四分之一波長變換器是為了使輸入輸出匹配，隔離電阻R是保證輸出端的隔離度?？紤]到多節(jié)阻抗變換器比單節(jié)阻抗變化器有更寬的帶寬，因此為了增加帶寬，在輸入端引入四分之一波長階梯阻抗變換器。

圖2 寬帶二分功分器的基本電路結(jié)構(gòu)

這種功率分配器的設(shè)計(jì)公式為：

式中，K2為功率分配比，P2、P3分別為端口2和端口3的輸出功率，設(shè)P2=P3，K=1，則功率等分。各節(jié)阻抗變換器的長度都是該節(jié)微帶線在中心頻率上波長的1/4，也就是電長度都是π/2。將此一分二功分器級聯(lián)，可以設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的一分四功分器。

2 寬帶功分器設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)一款L波段一分四功分器。其頻率范圍為：1～2GHz，輸入輸出駐波比小于1.2，隔離度小于-20dB，插入損耗小于6.2dB。

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)是通過理論計(jì)算出微帶線的尺寸參數(shù)和隔離電阻的阻值R，這種方法設(shè)計(jì)周期長，誤差較大，為了設(shè)計(jì)出良好的性能，本文采用ADS2016仿真軟件進(jìn)行原理圖版圖聯(lián)合仿真。ADS2016是Agilent公司推出的最新版本EDA軟件，集成了從IC級到電路級直至系統(tǒng)級的仿真模塊，內(nèi)含基于矩量法的電磁仿真模塊和基于有限元法的3D電磁場仿真器，極大的提高了設(shè)計(jì)的效率。

2.1 原理圖仿真

威爾金森功分器電路由輸入端口電路、阻抗變換電路和輸出端口電路組成。功分器分支線間使用隔離電阻增加傳輸端口之間的隔離度?；镜碾娐方Y(jié)構(gòu)設(shè)置好后，要重點(diǎn)進(jìn)行基板參數(shù)設(shè)置，選擇微帶線參數(shù)設(shè)置控件微帶基板（MSUB），基板材料采用F4B-2，微帶線介質(zhì)基片的相對介電常數(shù)Er為2.55，微帶線介質(zhì)基片的相對磁導(dǎo)率為1，微帶線介質(zhì)基片的厚度0.8mm，微帶線金屬片的厚度為0.03mm，微帶線的損耗正切角為1e-4；由功分器的理論分析可知，輸入輸出端口微帶線的特性阻抗為50歐姆，四分之一波長微帶線的特性阻抗為70.7歐姆。用ADS2016自帶工具LineCalc計(jì)算出中心頻率1/4波長的微帶線長度和寬度，端口接50Ω電阻，然后設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)，設(shè)計(jì)好的原理圖如圖3所示。

圖3 威爾金森1分4路功分器原理圖

為了便于參數(shù)的優(yōu)化，在原理圖中插入VAR控件，設(shè)置優(yōu)化參數(shù)，文中針對每節(jié)阻抗變換器的微帶線長度和寬度設(shè)計(jì)了8個(gè)優(yōu)化參數(shù)。設(shè)置好優(yōu)化參數(shù)后，還需要選擇優(yōu)化方式和優(yōu)化目標(biāo)，分別是“Optim”（優(yōu)化設(shè)置控件）和“Goal”優(yōu)化目標(biāo)控件。常用的優(yōu)化方法有梯度和隨機(jī)，梯度法常用于局部收斂，而隨機(jī)法常用于大范圍搜索，本文采用隨機(jī)法。

文中總共設(shè)置了四個(gè)優(yōu)化目標(biāo)，分別為S(1、1)、S(2、1)、S(2、3)、S(2、2)。由于電路的對稱性，其他S參數(shù)不再設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)，S(1、1)、S(2、2)分別為輸入輸出的發(fā)射系數(shù)，S(2、3)為設(shè)定輸出端口間的隔離度。S(2、1)為設(shè)定輸入輸出端口間的插損。雙擊Goal控件對目標(biāo)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

2.2 仿真結(jié)果

設(shè)置好優(yōu)化方式和優(yōu)化目標(biāo)后，對原理圖進(jìn)行S參數(shù)仿真。圖4為輸出端口2、3、4和輸入端口1之間的插損，從圖4可知在頻率2GHz時(shí)，S21最大為-6.199dB，在1.2GHz時(shí)插損最小，約為-6.1dB，整個(gè)頻帶內(nèi)插損小于6.2dB，性能良好，滿足指標(biāo)。由于電路的對稱性，S31、S41和S21仿真結(jié)果一致。圖5為功分器輸入輸出駐波的仿真結(jié)果，在所設(shè)計(jì)的頻帶內(nèi)，功分器的輸入端口Port1 和輸出端口Port2 駐波VSWR 均小于1.2。隔離度是功放器的重要指標(biāo)之一，圖6為功分器隔離度的仿真結(jié)果，端2和端口3之間的隔離度在1GHz～2GHz內(nèi)小于設(shè)計(jì)值 20dB，性能良好。

圖4 插損

圖5 駐波比

圖6 隔離度

3 實(shí)物測試

根據(jù)ADS2016版圖聯(lián)合仿真的結(jié)果加工功分器，使用ProE三維仿真軟件設(shè)計(jì)腔體，腔體材料為鋁，并做表面導(dǎo)電氧化，功分器輸入輸出端口采用SMA接頭。實(shí)物如圖7所示。

圖7 功分器實(shí)物

使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對功分器實(shí)物的輸入輸出插損進(jìn)行測試，整個(gè)頻帶1GHz-2GHz范圍內(nèi)插損小于6.2dB，性能良好，滿足指標(biāo)。將S21測試結(jié)果和仿真結(jié)果對比如圖8所示：

圖8 實(shí)測與仿真結(jié)果對比

由圖8可知，實(shí)測結(jié)果和仿真結(jié)果具有良好的一致性。

4 結(jié)論

本文采用多節(jié)阻抗變換器級連的方式，對L波段的1分4路威爾金森功分器進(jìn)行了設(shè)計(jì)和研究，利用ADS2016仿真軟件進(jìn)行協(xié)同仿真并制作出了實(shí)物，實(shí)測結(jié)果和仿真結(jié)果基本吻合。表明該Wilkinson功分器在L波段具有優(yōu)良性能，其隔離度大于20 dB，插入損耗小于6.2 dB，駐波比小于1.2，可廣泛應(yīng)用于通信、功率分配合成系統(tǒng)。

[1]李冬,劉海業(yè),蘇春梅,等.地空導(dǎo)彈營火力仿真設(shè)計(jì)[J].火力與指揮控制2007,32(12):106-109.

[2]劉婷,張江華,聶強(qiáng),等.基于UML的雷達(dá)導(dǎo)引頭系統(tǒng)軟件工程過程[J].火控雷達(dá)技術(shù).2012,41(4):26-30.

[3]周巧儀,崔富義,張智靚.8路超寬帶Wilkinson功分器設(shè)計(jì).火控雷達(dá)技術(shù).2017,37(2):108-112.

[4]JAIN A,DASH B,PANDA A K,et al.FPGA design of a fast 32-bit floating point multiplier unit [C]// Proceedings of 2012 International Conference Devices,Circuits and Systems(ICDCS).[S.l.]:IEEE,2012:545-547.

[5]王良全,黃世震.基于FPGA的WALLACE TREE乘法器設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2011,3,4(16):113- 115.

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)

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.

Power Divider；wide Band；Wilkinson；microwave

TN626

A

1672-9129(2017)04-0011-04

孫利民,潘成勝,韓華珍.4路寬帶Wilkinson功分器設(shè)計(jì)[J].數(shù)碼設(shè)計(jì),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.

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.04.004

2017-01-07；

2017-02-13。

孫利民（1986-），四川廣元，助教，碩士研究生，研究方向：微波射頻。E-mail:slm14@163.com