寬帶Ｗｉｌｋｉｎｓｏｎ功分器的設(shè)計(jì)與仿真

張中雷　張　任

摘要 介紹寬帶功分器的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)工作頻帶在1 GHz～3 GHz的微帶線功分器，并使用Agilent公司的ADS軟件進(jìn)行仿真，得到理想的結(jié)果。

關(guān)鍵詞 微波器件；微帶線；Wilkinson功分器；寬帶

中圖分類號：TN626 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-489X（2009）15-0091-02

Design and Simulation of Broadband Wilkinson Power Divider//Zhang Zhonglei, Zhang Ren

Abstract In this paper, the authors demonstrate the method of design a broadband power divider, and devise a microstrip power divider that works in a frequency range from 1 GHz to 3 GHz, moreover, utilize ADS of Agilent Technologies to simulate, obtain a series of ideal results.

Key words microwave device；microstrip；Wilkinson power divider；broadband

Authors address No.722 Research Institution of CSIC, Wuhan 430079

1 前言

在微波系統(tǒng)中，功分器是將輸入功率分成等分或不等分的多路功率輸出的一種多端口微波器件，將發(fā)射功率按一定的比例分配到各發(fā)射單元，因此功分器在微波系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用[1]。它的性能好壞直接影響到整個(gè)系統(tǒng)能量的分配、合成效率。隨著寬帶天線、寬帶濾波器等寬帶器件的不斷發(fā)展，對寬帶功分器的需求也越來越大。

對于功分器，需具備在一定的頻帶范圍內(nèi)，輸出功率按一定的比例分配，各輸出端口之間互相隔離，各輸入輸出端口匹配以及傳輸損耗盡可能小等要求。為了達(dá)到功分器的上述指標(biāo)要求，本文對Wilkinson結(jié)構(gòu)的功分器進(jìn)行研究，用多節(jié)阻抗變換器級聯(lián)的方式來實(shí)現(xiàn)寬頻帶和低損耗，利用ADS軟件設(shè)計(jì)并仿真工作頻帶在1 GHz～3 GHz的微帶線功分器。

2 工作原理

二等分功分器是三端口網(wǎng)絡(luò)，由于普通的無耗互易三端口網(wǎng)絡(luò)不可能達(dá)到完全匹配，且輸出端口間無隔離，而工程上對端口之間的隔離要求較高，因此采用混合型的功率分配器，即威爾金森型（Wilkinson）功分器。Wilkinson功分器的原理主要是在簡單功分器中引入隔離電阻，從而實(shí)現(xiàn)端口的匹配及輸出端口間的高度隔離[2]。在引入隔離電阻后，功分器變?yōu)橛泻牡娜丝诰W(wǎng)絡(luò)。從三端口網(wǎng)絡(luò)的基本性質(zhì)可知，有耗三端口網(wǎng)絡(luò)可以做到全部端口匹配且輸出端口之間具有隔離。當(dāng)Wilkinson功分器的輸出端口都匹配時(shí)，仍具有無耗的有用特性，只是耗散反射功率。該類型的功分器可以實(shí)現(xiàn)任意的功率分配比，且可方便地用微帶線或帶狀線來實(shí)現(xiàn)。圖1為二等分微帶線Wilkinson功分器的結(jié)構(gòu)示意圖和等效電路。

在圖1中，隔離電阻R接于輸出端口2、3之間。由于結(jié)構(gòu)對稱，各路信號經(jīng)過的電長度相同，因此在輸出端口處于相同的電位，此時(shí)隔離電阻不消耗任何功率。假如信號由于某種原因在輸出端口2處發(fā)生反射，則反射信號功率一部分經(jīng)過隔離電阻R傳至輸出端口3，另一部分功率反射回輸入端口，并在支線處再度分配，重新由兩支路傳輸至兩個(gè)輸出端口。由于阻抗變換線的長度為λ/4，則兩路反射信號到達(dá)端口3時(shí)的電長度相差180度，所以在端口3處，兩路信號幅度相等、相位相反，彼此相消，從而實(shí)現(xiàn)兩輸出端口之間的相互隔離。對于任意分配比的混合型功率分配器，隔離電阻的作用相同。

3 寬帶功分器的實(shí)現(xiàn)方法及仿真設(shè)計(jì)

由于單節(jié)λ/4阻抗變換器工作帶寬為窄帶，不能實(shí)現(xiàn)寬帶功分器，因此本文采用多節(jié)阻抗變換器相級聯(lián)的方式來展寬工作頻帶[3]。在多節(jié)階梯式阻抗變換器中，若各阻抗階梯所產(chǎn)生的反射波彼此抵消，便可以使匹配的頻帶得以展寬。通常選擇的枝節(jié)數(shù)越多，功分器的工作頻帶越寬，但是尺寸也越大，傳輸線的損耗也會(huì)增加，所以選擇合適的枝節(jié)數(shù)是關(guān)鍵。

本文設(shè)計(jì)的是一個(gè)工作頻帶在1 GHz～3 GHz，二等分的微帶線型Wilkinson功分器。由于頻帶寬度為3倍頻，根據(jù)多節(jié)阻抗變換原理，為了要達(dá)到此帶寬要求，λ/4阻抗變換器至少為3節(jié)。選擇微波復(fù)合介質(zhì)材料（介電常數(shù)3.4，厚度1 mm）作為基板。利用ADS軟件自帶的LineCalc工具計(jì)算對應(yīng)特性阻抗的微帶線寬度及對應(yīng)中心頻率為2 GHz的λ/4微帶線長度。所設(shè)計(jì)功分器的電路原理圖如圖2（a），仿真結(jié)果如圖2（b），通過對原有電路參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到符合指標(biāo)要求的電路參數(shù)。

在ADS中將電路原理圖轉(zhuǎn)化為版圖進(jìn)行電磁仿真，轉(zhuǎn)化后的版圖如圖3（a），仿真結(jié)果如圖3（b）。

比較圖2（b）和圖3（b）可知，電路仿真和版圖電磁的仿真結(jié)果近似，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

4 結(jié)論

本文采用多節(jié)λ/4阻抗變換器設(shè)計(jì)工作頻帶在1 GHz～3 GHz的寬帶Wilkinson功分器，并利用ADS軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真，仿真結(jié)果表明，采用多節(jié)λ/4阻抗變換器相級聯(lián)來展寬工作頻帶是有效的方法。

參考文獻(xiàn)

[1]李嗣范.微波元件原理與設(shè)計(jì)[M].北京:人民郵電出版社,1982

[2]Pozar D M.微波工程[M].第3版.張肇儀,等,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2006

[3]清華大學(xué)微帶電路編寫組.微帶電路[M].北京:人民郵電出版社,1976