基于宽频比的双频Wilkinson功分器小型化设计*

李博博 ，王梓丞 ，郭庆功

（1.四川大学 电子信息学院，四川 成都 610065；2.中国洛阳电子装备试验中心，河南 洛阳 471003）

0 引 言

随着通信系统的快速发展，多频通信逐渐成为主流。功分器作为关键器件之一，广泛应用于通信系统。对于传统Wilkinson功分器而言，只能工作在某一频率及该频率的奇次谐波上，不能满足通信系统工作在任意双频的需求。通常，采用超宽带设计来实现任意双频工作[1］，但是需要增加节数，导致尺寸变大，与当前小型化的设计趋势相悖。因此，设计小型化的可在任意两个或多个频段工作的功分器，具有重要的实用价值。

近年来，双频功分器的设计通常采用如下三种方法：阻抗变换法[2-5］、加载集总元件法[6］和耦合线法[7-8］。其中，文献[3］在隔离电阻处引入并联的开路微带线实现小型化的双频功分器，且具有2.0～5.0的宽频比。由于引入的开路微带线与功分器传输线部分平行紧邻，造成了耦合影响，导致频率发生了偏移。文献[6］采用输出端口阻抗变换和引入RLC集总电路的思路，实现了双频功分器的输出端口分离。由于它采用了电容、电感等有寄生效应的集总元件，导致其高频性能下降。文献[7］设计了基于耦合线和隔离枝节的宽频比双频功分器，通过在输出端口外额外引入一对隔离枝节，实现了2.26～10.2的宽频比，但是2.26～2.74频率比时的耦合线间距仅0.01～1 mm，难以插入隔离电阻，且电路面积比传统Wilkinson功分器扩大1倍。本文采用一种基于耦合线的新型结构，通过三端口阻抗变换法，设计了1.0～6.0宽频比的任意频率功分器。该结构除一个电阻外不需要额外的集总元件，实现了更小的尺寸。

1 基础理论

本文设计的双频功分器结构如图1所示。该结构由三部分组成：一段耦合线（奇模阻抗为Z2o、偶模阻抗为Z2e，电长度为θ2）、输入输出端口连接的三段传输线（特征阻抗为Z1和Z3，电长度为θ1和θ3）及隔离电阻（阻值为R）。与文献[9］中设计的多节结构双频功分器相比，该双频功分器只要一段传输线，电路尺寸缩小近50%；与2015年所发表文献[10］中的基于传统Wilkinson理论设计的功分器相比，图1的结构扩展了传输线Z1和Z3，把λ/4传输线Z2调整成耦合线结构Z2o和Z2e[11］。因为该功分器结构是上下对称的，所以使用奇偶模法来分析电路[12］，其奇偶模等效电路分别如图2、图3所示。为简化分析，令图1中三节传输线的电长度都等于θ。

图1 双频功分器的结构

图2 偶模等效电路

图3 奇模等效电路

1.1 偶模分析

设图2的偶模等效电路中各节传输线的输入阻抗分别是Zin1、Zin2和Zine，其中，Port 1的归一化阻抗为2，耦合线的偶模阻抗为Z2e。根据传输线理论，各处的输入阻抗为：

把式（1）带入式（2），式（2）带入式（3），化简并分离实部和虚部，得到：

1.2 奇模分析

设图3的奇模等效电路中各节传输线的输入阻抗分别是ZinA、ZinB和Zino。其中，Port 2的归一化阻抗为1，耦合线的奇模阻抗为Z2o。根据传输线理论，各处的输入阻抗为：

把式（6）带入式（7），化简并分离实部和虚部，得到：

设功分器的两个频率点分别为f1和f2（f2=mf1且m＞1）。为了能够同时在两个频率上工作，由文献[13］可得，每节传输线在频率f1和f2处对应的电长度需满足关系：

因为耦合线[14］的奇模阻抗Z2o小于其偶模阻抗Z2e，所以设耦合系数为：

因此，当耦合系数k固定时，联立式（4）、式（5）、式（8）～式（11）就能得到全部的设计参数。因为该方程组变量较多、结构复杂、解析困难，所以采用Matlab数据拟合方法进行求解。

2 设计分析

基于上述奇偶模分析法，设耦合线的耦合系数为0.8（Z2o=0.8Z2e），用Matlab解方程组，得到不同频率比m时的电路设计参数如图4所示，其中横轴为频率比m，纵轴为对50 Ω的归一化特征阻抗值。

图4 不同频率比对应的设计参数

从图4可以看出，随着频率比m从1.0增加到6.0的过程中，耦合线的奇偶模阻抗Z2o和Z2e逐渐变大；当m＞6.0时，Z2e＞130 Ω，此时微带线线宽过小，加工十分困难。因此，上述结构不适用于频率比大于6.0的情况。所有的传输线特征阻抗和隔离电阻R都只是频率比m的函数，与具体的频率值无关。仿真中，令耦合系数为0.8，从图4中可以查出所需频率比m的设计参数。如果耦合系数为其他数值，需要更改Matlab程序中的耦合系数，重新生成设计参数即可。

图5 ADS电路原理

3 仿真与加工测试

为了验证上述设计方法的可行性，设计了一个工作在2.4 GHz和5.8 GHz两个WiFi频段的双频Wilkinson功分器。首先，在图4中取频率比m为2.42，得到了初始的特征阻抗值，如表1所示。然后，选择FR4介质基板（板厚0.8 mm，介电常数4.4），在ADS中建立对应的电路结构并进行仿真。通过优化选取最佳设计参数，对应的电路如图5所示，单位为mm。

表1 功分器的设计参数

图6 双频功分器版图

图6 为双频功分器版图，最终加工制作的双频功分器实物如图7所示。

图7 双频功分器实物

使用安捷伦公司的矢量网络分析仪进行相应的测试，功分器的测试与仿真结果的对比结果如图8所示。

图8 测试和仿真的参数对比

从图8（a）可以看出，功分器的实际频率分别是2.4 GHz和5.8 GHz，两个频率的S11均小于-20 dB。从图8（b）可以看出，2.4 GHz和5.8 GHz插入损耗不高于0.4 dB和1.1 dB。从图8（c）可以看出，2.4 GHz的S22参数为-23 dB，5.8 GHz的S22参数为-12 dB。从图8（d）可以看出，2.4 GHz的隔离度为-24 dB，5.8 GHz的隔离度为-21 dB。测试与仿真结果吻合良好，能够很好地应用于双频WiFi通信系统。仿真和测试得到的数据有细微差别，导致这种状况的原因可能是焊接过程中导致微带线的有效电长度发生了细微变化。

4 结 语

本文在对双频功分器设计方法的研究基础上，设计出了一种基于耦合线的具有宽频比和小型化特性的双频Wilkinson功分器。该功分器仅包含一节耦合线和一个隔离电阻，电路结构简单，两个频率自由可调，尺寸相比传统Wilkinson功分器小50%，可用于1.0～6.0的频率比，具有一定的设计自由度。最后，加工了一种用于2.4 GHz和5.8 GHz的双频WiFi功分器并进行了测试。测试和仿真结果吻合良好，验证了该方法的可行性和正确性，这对具有宽频比特性的双频Wilkinson功分器小型化设计具有重要的参考价值。