一分六功分器的设计与实现

于洋

（甘肃长风电子科技有限责任公司，甘肃 兰州730070）

一分六功分器的设计与实现

于洋

（甘肃长风电子科技有限责任公司，甘肃 兰州730070）

设计制作了一个ku频段一分六功分器，进行理论模型计算后，利用仿真软件进行优化，加工电路板和金属壳体，使用改进的安装工艺，最终得到实物，测试其性能，验证了整个设计与实现过程的可行性。

电磁场与微波；功分器；高隔离度；带状线

功分器是一种常见的无源微波器件，在雷达、移动通信、卫星通信、医疗设备和微波测量仪器等领域有广泛的应用。宽频器件的工作能力在适用性和通用性上的突出表现，引起人们的关注，并呈现出大量的市场需求。本文根据实际工作中的需求，采用带状线传输形式和二级威尔金森功分模型，克服一级奇数功分难点，进行理论计算和全波模型仿真优化，实际加工制作，功分器的实测性能为工作带宽：4GHz，插入损耗：≤10.75dB,隔离度：≥25dB。

1 基本概念

功率分配器是最常见的射频/微波电路中的无源器件，用于将一路信号均分为多路信号，起着功率平均分配的作用，理论上一个信号输入经过功分器后平均分成两路输出会有3dB的信号衰减。常见的有二功分、三功分、四功分。功分器反向应用就成了合路器。功率分配器的输出端口之间应保证一定的隔离度。

插入损耗 （分配损耗），功率分配器的直通损耗，为所有路数的输出功率与输入功率的比值，或单路的实际损耗减去理想的分配损耗，理想的分配损耗为（dB）=10Log(1/N)。

隔离度，当主路接匹配负载时，各分配之路之间的衰减量比值为隔离度。

电压驻波比，又称驻波比，在均匀无耗传输线上，电压U的最大振幅与最小振幅之比，称作电压驻波比（VSWR或SWR）。

功率分配器分类：1）N功率分配器 （N=2、3、4……）；

2）等分功率分配器和不等分功率分配器；

3）大功率分配器和小功率分配器。

2 实际需求

功分器的需求指标，具体如下：

频率不变，按1:6的比例进行功率分配，各输出端口要相互隔离，各输入输出端口要完全匹配。

频率范围：f0±2GHz，插入损耗≤11dB,隔离度：≥25dB,带内平坦度：±0.25dB，驻波比：≤1.7，外形尺寸 （长×宽×高）：63mm×52mm×8mm，接头形式：SMP-J。外形如图1，2所示。

图1 功分器外形图

图2 功分器印制板示意图

2 设计原理

2.1 二功分器原理

简单的二等分功分器属于三端121网络，由于普通的无耗互易三端口网络不可能达到完全匹配，且输出端口间无隔离[1]。而在工程实现上对信道之

间的隔离要求很高，一次需采用混合型的功率分配器，即威尔金森型功率分配器。威尔金森的理论主要是在简单的功率分配器中引入了隔离电阻，从而实现了信号链路的匹配和高度隔离。它的原理在引入隔离电阻后，功率分配器变为有功耗的三端口网络。从三端口网络的基本性质可知，有功耗的三端口网络可以做到完全匹配且输出端口之间具有隔离，从而改善了普通功率分配器的不足。同样，该类型的功率分配器可以实现任意的功率分配比，且可方便地用微带线或带状线来实现。

二公分的功分器两路是对称的，所以功率是平分的。在现有的终端负载一般为50Ω。根据匹配原理，如图2种的第二级中，隔离电阻R接于输出端口2、3之间。由于结构对称，各路信号经过的电长度相同，因此在输出端口处于相同的电位，此时隔离电阻不消耗任何功率。如果信号由于驻波原因在输出端口产生反射，另一部分功率发射回输入端口，并在支线处重新分配传输至两个输出端口。由于阻抗变换线的长度为1/4波长，则两路发射信号到达端口时的电长度相差π，所以实现了幅度相等、相位相反、彼此相消，从而实现了各两输出端口之间的相互隔离。对于任意分配比的混合型功率分配器，隔离电阻的作用相同。

2.2 三功分器原理

简单的三等分功率分配器，我们可以先将功率按照1:2不等分，然后再将初次分配后的功率为2/3的一支二等分即可。

3 实现过程

3．1 布局与建模

根据指标要求，查阅文献[2]，按照往常的设计经验，用我们选用二级级联威尔金森功分模式，第一级为一分三功率分配器，第二级为一分二功率分配器，使用rogers5880微波介质基板，上下层介质板厚度均为0.508mm，相对介电常数2.2。为保证各个端口之间的相位一致性，中间端口采用折线结构。整个印制板布局示意图如图2所示。

3．2 仿真与设置

采用HFSS电磁全波仿真软件对建模进行仿真分析。使用集总的激励方式，最大限度模拟实际情况。金属层使用模拟铜质材料，金属化过孔采用金属性质圆柱，隔离电阻采用矩形方块，定义集总属性，介质层设置选用软件集成的板材参数，电路板外用空气腔包裹，空气腔体外壁距离电路板边缘大于一个波长（取频率下限波长），空气腔体外壁使用辐射边界设置。以中心频点为基准，离散剖分模型，创建网格，计算参数收敛精度控制在0.02，如图3所示。

图3 仿真结果收敛曲线

3．3 制作与组装

印制板采用4层印制板加工工艺，即下层介质板为双面板，上层介质板为单面板，两层板材高温压合，这种形式加工精度高，传输线在介质中间与介质板紧密连接，降低传输损耗。为了方便端口与盒体连接器连接，在端口末端采用带状线转微带线形式，简化连接器与印制板组装。印制板上层介质板局部开窗，用于焊接隔离电阻。最终加工盒体和印制板部分如图4所示。

图4 双层印制板和下层盒体部件实物图

在调试时，要注意装配的正确性；重点调试输入输出端口的电压驻波比；注意适当改变输入输出端口的阻抗匹配。

4 实验结果

对成品的测试使用安捷伦公司的矢量网络分析仪E5071C对耦合器进行了测试。端口驻波比和插入损耗测试结果如图5、6所示。其他指标见表1。

图5 端口驻波比测试曲线

图6 插入损耗测试曲线

表1 功分器测试性能表

从图5、6和表1中可以看出，实测结果满足指标要求。

5 结束语

功率分配器由于拥有众多的优点，具有很好的功率分配性能，愈来愈受到设计人员的重视。随着研究的深入，功率分配器在微波电子系统领域中展现了广阔的应用前景。

本文给出了一种根据实际需求，参考相关资料，仿真设计和实现宽频功分器，并做了实验验证。参考文中的设计和实现过程，还可以推广到类似功分器的设计和实现。

通过上述工作，不但对功率分配器的研究和实现有着积极的意义，也使我对磁场理论和匹配的理论，微波集成电路有了更进一步的认识，为以后的工作和学习打下了良好的基础。参考文献：

[1] 清华大学《微带电路》编写组．微带电路[M]．人民邮电出版社,1976．

[2] 甘本祓,吴万春．现代微波滤波器的结构与设计[M]．科学出版社,1973．

[3] 程敏峰,刘学观．微带型Wilkinson功分器设计与实现[J]．现代电子技术，2006，（20）：25-26.

[4] 胡善祥,汪邦金．级联功分器分配/合成器功分器的优化设计[J]．雷达与对抗，2007,(3):36-40．

[5] 魏峰,史小卫．一种改进型微带线定向耦合器及其应用[J]．西安电子科技大学学报,2009,36(2):281-284．

[6] 赵晨星．奇等分微带功分器的仿真设计[J]．电讯技术,2006, 48(7):77-79．

[7] 徐琰,韩淑萍,王俐聪.三种一分三路等功率分配器的性能比较[J]．制导与引信,2012,33(3):41-45．

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