ETC一分四不等比Wilkinson功分器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王爍 吳純杰 江良 董麗元

（1.天津科暢慧通信息技術(shù)有限公司 天津市 300300 2.天津仁愛學(xué)院 天津市 301636）

功分器全稱功率分配器，是將輸入信號(hào)分成相等或者不等的多路信號(hào)輸出的一種多端口微波器件，即將發(fā)射功率按照一定比例分配到各發(fā)射單元，其在射頻通訊系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。Wilkinson功分器是其中一種常見功分器，不僅有良好的幅度相位特性而且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便。

電子不停車收費(fèi)(ETC)的相控陣天線單元通過對(duì)每個(gè)天線陣子的信號(hào)幅度和相位進(jìn)行調(diào)整，形成所期望的輻射方向圖，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)ETC車輛的實(shí)時(shí)通訊和交易。本文介紹的一分四不等比Wilkinson功分器是在一分二等比和一分二不等比功分器基礎(chǔ)上級(jí)聯(lián)而成，除了設(shè)計(jì)所要求的功分分配比例之外，考慮到系統(tǒng)相位調(diào)整，重點(diǎn)優(yōu)化四個(gè)輸出端口等相位差和駐波參數(shù)，使用ADS進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，并用Sonnet進(jìn)行最終三維電磁仿真，制作實(shí)物并進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)基本吻合。

1 Wilkinson功分器基本原理

簡(jiǎn)單的等分功率分配器是一個(gè)三端口網(wǎng)絡(luò)，且輸出端口無隔離電阻，不能夠?qū)崿F(xiàn)完全匹配，而Wilkinson功分器的對(duì)稱性保證了信號(hào)的平衡度，同時(shí)輸出端的隔離電阻R進(jìn)一步提高了輸出端口的隔離度和匹配度，同時(shí)通過改變兩個(gè)輸出分支線的特性阻抗，即可實(shí)現(xiàn)任意功分比的分配。圖1為Wilkinson功分器的基本電路結(jié)構(gòu)。

圖1：Wilkinson功分器基本結(jié)構(gòu)圖

任意功分比Wilkinson功分器的計(jì)算公式如下：

通過上述公式可計(jì)算不同功分比下的阻抗值，考慮實(shí)際加工中最小線寬為4 mil=0.1016 mm，通過Rogers公司軟件Microwave Impedence Calculator計(jì)算板材RO4350B-20MIL對(duì)應(yīng)阻抗值大約為133Ω，考慮到Z0A阻抗范圍應(yīng)該小于133Ω較為實(shí)際，其對(duì)應(yīng)功率差值范圍為-4dB～-5dB，即實(shí)際功分器兩路幅度不平衡度應(yīng)于此范圍較為合理。

2 Wilkinson功分器的設(shè)計(jì)

2.1 功分器的技術(shù)指標(biāo)

本文所設(shè)計(jì)的功分器的技術(shù)指標(biāo)如下：

工作頻率范圍：5.83GHz～5.84GHz，四輸出端口功分比為：1:2.8:2.8:1，即端口3與端口2或者端口4與端口5功率差值均應(yīng)該≥4.5dB，相位不平衡度≤1°，端口駐波<1.5，隔離度≥15dB。

2.2 單節(jié)功分器的設(shè)計(jì)

考慮到與天線陣子端口對(duì)稱，整個(gè)功分器采用一分二等比功分器和兩個(gè)一分二不等比功分器的級(jí)聯(lián)方案，該方案的相位平衡度控制也較為簡(jiǎn)便。

首先計(jì)算出中心頻點(diǎn)5.835GHz對(duì)應(yīng)特性阻抗Z0=50ohm的傳輸線寬度和四分之一波長(zhǎng)線長(zhǎng)度值，以及PA-PB=-4.5dB情況下計(jì)算得到功分器各部分的物理參數(shù)，在ADS原理圖搭建一分二不等比功分器的初步模型，并優(yōu)化各部分分支寬度、隔離電阻走線寬度等變量參數(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)指標(biāo)，一分二不等比功分器-4.5dB的仿真優(yōu)化結(jié)果S11=-32.137dB，S22=-23.376dB，S33=-24.522dB，S31-S21=4.5358dB，Phase(S31)-Phase(S21)=0.0847°。一分二等比功分器可借助ADS設(shè)計(jì)向?qū)瓿勺詣?dòng)化流程，即選擇模型DA_WDCoupler1至原理圖，借助工具DesignGuide里面的Passive Circult-Deign Assitant自動(dòng)生成整體設(shè)計(jì)。

2.3 功分器的總體設(shè)計(jì)

表1：Sonnet仿真結(jié)果-幅度平衡度

表2：Sonnet仿真結(jié)果-相位平衡度

表3：功分器-駐波比

表4：功分器-隔離度

首先，將等比功分器和不等比功分器原理圖合入同一張圖，設(shè)置相關(guān)變量和電路優(yōu)化，完成初步的整體設(shè)計(jì)，然后，將其原理圖生成至Layout圖，修改圖形后生成器件模型EM-Component-Creat EM Model and Symbol，最后，新建原理圖調(diào)入器件模型完成仿真操作，調(diào)整優(yōu)化過程需要在Layout修改和原理圖器件仿真之間反復(fù)操作。

整體結(jié)構(gòu)在協(xié)同仿真后，生成DXF文件導(dǎo)入Sonnet軟件，進(jìn)行進(jìn)一步微調(diào)和精確仿真?？紤]到后面需要與天線陣子端口對(duì)稱，在功分器端口增加了TRL 1/4波長(zhǎng)線來優(yōu)化端口駐波和調(diào)整相位平橫度，并對(duì)1/4波長(zhǎng)線和級(jí)聯(lián)微帶線寬度和長(zhǎng)度重點(diǎn)優(yōu)化，Sonnet 3D視圖和仿真結(jié)果見圖2所示。

圖2：Sonnet 3D View

圖3：功分器實(shí)物圖

3 實(shí)物制作和測(cè)試

功分器的實(shí)物加工采用RO4350B作為介質(zhì)板，相對(duì)介電常數(shù)3.66，基板厚度0.508mm，隔離電阻選擇0603封裝，微帶線表面采用開窗處理，且地平面與走線避讓盡可能保證3W距離。

使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表5～表8所示。從表中數(shù)據(jù)可見，測(cè)試結(jié)果與Sonnet仿真結(jié)果較為接近，各項(xiàng)指標(biāo)基本滿足設(shè)計(jì)要求，器件焊接和相位校準(zhǔn)是導(dǎo)致相位平橫度指標(biāo)略微超標(biāo)的可能因素，同時(shí)隔離度和駐波比指標(biāo)可以通過隔離電阻的更換略微優(yōu)化。

表5：功分器-幅度平衡度

表6：功分器-相位平衡度

表7：功分器-駐波比

表8：功分器-隔離度

4 結(jié)論

本文在一分二Wilkinson功分器基礎(chǔ)上，研究并設(shè)計(jì)了一分四不等比功分器，通過加工實(shí)物并進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果基本較為接近，基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。采用ADS原理圖協(xié)同仿真和Sonnet三維電磁仿真，利用兩種軟件的各自優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和版圖優(yōu)化，最終確定了實(shí)物設(shè)計(jì)參數(shù)。該設(shè)計(jì)應(yīng)用在ETC相控陣天線單元，可以完成了對(duì)遠(yuǎn)中近交易區(qū)域的發(fā)射覆蓋和切換，大大提高了ETC車輛的交易成功率和客戶體驗(yàn)的滿意度。