一种超宽带功分器的设计

杨晶晶 雒寒冰 张红英 沈晓唯 沈亚飞

摘 要：文中采用多节Wilkinson 结构，研制了一个工作频段在2～8GHz的超宽带功分器，并使用ADS与HFSS 软件进行仿真和优化设计。在此基础上进行了实验验证，仿真结果和实物测试结果比较接近。测试结果表明该功分器工作频率内具有较好的性能指标，插入损耗小于3.5dB，端口回波损耗小于-15dB，输出隔离度大于20dB。

关键词：超宽带;功分器;Wilkinson，HFSS

中图分类号：TN626 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2021.02.045

本文著录格式：杨晶晶，雒寒冰，张红英，等.一种超宽带功分器的设计[J].软件，2021，42（02）：144-146

A UWB Power Divider

YANG Jingjing， LUO Hanbing， ZHANG Hongying， SHEN Xiaowei， SHEN Yafei

（ Shanghai Aerospace Electronic Technology Institute， Shanghai  201109）

【Abstract】：A UWB power divider with the frequency range from 2GHz to 8GHz is designed by using multi-class Wilkinson structure in this paper. The ADS and HFSS software are both used to simulate and optimize the power divider. A prototype of the power divider was fabricated and measured， the results of the simulation approximately coincide with the divider testing. The experimental results show excellent performance that the input-to-output insertion loss is less than 3.5 dB，the port return loss is more than 15 dB，and the output-to-output isolation is more than 20 dB in the operating frequency band.

【Keywords】： UWB;power divider;Wilkinson structure

0 引言

隨着通信技术的发展，超宽带通信应用越来越广泛，其中对功分器的带宽需求也越来越高。功分器是在所需的带宽内，对功率进行比例分配，并做到各输入输出端口相互匹配，输入输出功率之间损耗尽可能小，且各端口间隔离度高[1]。超宽带功分器对阻抗匹配要求很高，研制具有一定难度。

为了达到某中频接收机提出的超宽带功分器的设计指标要求，本文以Wilkinson结构的功分器为基础，采用多节阻抗变换器级联的方式，设计了一个超宽带功分器，仿真结果表明设计的超宽带功分器性能优良，满足设计指标要求。

1 原理分析

目前的宽带功分器通常采用微带线结构和带状线结构，带状线结构的功分器损耗小，各路信号的一致性好和可靠性高，但是对设计、加工精度和装配精度都有较高的要求，些许加工误差都会影响实物的性能，并且可调试性差[2]。而微带线结构的功分器结构简单，焊接调试方便，且便于和微波毫米波电路集成，所以这里采用微带线结构进行设计。

微带功分器的具体结构形式很多，功分器常用的电路形式主要有三种：Ratrace型、Vranchline型和Wilkinson型，常使用的是Wilkinson功分器，它是在简单功分器的基础上，其输出端口增加隔离电阻R，变成有耗的三端口网络，从而实现各端口间的匹配以及输出端口间的隔离，进而改善功分器的性能[3]。基本的微带Wilkinson功分器的示意图见图1。

由图1所示，输入与输出微带线的特征阻抗是系统阻抗Z0，输入信号从端口1进入，各路分支线的长度均为λ/4，两路信号所经过的电长度是相等的，所以到达端口2和3的输出信号是同电位的，因此，通过隔离电阻的电流为0，隔离电阻上无功率损耗。当某输出端口如端口3失配时，会有反射波折回：一路经过隔离电阻到达端口2;一路沿分支线到达端口1后再反射回来，沿另一分支线到达端口2。适当选择电阻以及焊接位置可以使两路信号的相位相差180度，幅度相等，方向相反，相互抵消，从而使输出端口实现隔离[4]。在二功分器中隔离电阻阻值为2Z0。

Wilkinson功分器具有良好的幅度相位特性而且设计简便，是微波电路设计中常用的部件。然而单级Wilkinson功分器的带宽较窄，为实现宽频带需求，可使用用多级功分器进行级联，其工作原理与多级阻抗变换类似[5]。多节功分器是由四分之一波长线组成，在每节功分器尾端放置隔离电阻，功分器级数越多，工作带宽就越宽，隔离度也越高[6]。

2设计目标

本设计是基于Wilkinson型功分器结构，利用电磁场仿真和电路路仿真软件设计了一个2～8GHz 频段的功分器，具体设计指标如下：

设计频率：2～8GHz;

输入、输出驻波比：≤1.5;

插入损耗：≤5dB;

输出端口隔离度：≥15dB。

3 仿真设计

本文设计2～8GHz二等分超宽带功分器，根据工作频段选择了罗杰斯的TMM3基板，基板的介电常数为3.27，板厚为0.508mm。功分器的隔离电阻采用0603封装的贴片电阻。

首先根据各项指标，如工作频带，传输损耗，隔离度等要求[7]，在ADS软件中Design Guide菜单里的passive circuit工具初步确定所需超宽带功分器的设计模型，分别设置工作频段、电路节数等参数，计算出功分器的各级线宽、线长和电阻的阻值。调整节数以满足带宽和传输损耗要求，用该设计模型我们首先对2GHz～8GHz超宽带二路功分器用ADS进行了设计和优化仿真，由此得到功分器的初始尺寸[8]。由于ADS采用的是二维结构的仿真办法，根据该初始尺寸在HFSS软件中进行3D建模，设置腔体和端口激励， 进行精确的仿真和优化。仿真结果跟ADS仿真结果有一定的偏差，HFSS是三维仿真，仿真结果更为精确。

在HFSS软件中对功分器建模，设置四分之一波长线长度、微带线宽和隔离电阻为变量，Ln、Wn和Rn（n为1，2，3…）。改变各变量的值，通过优化仿真得到最优的设计结果。用HFSS软件进行仿真优化计算，优化后的隔离电阻的阻值分别为R1=110Ω，R2=190Ω，R3=270Ω，R4=360Ω，R5=470Ω。

由仿真结果可知，该功分器在1.1GHz～8GHz频带内，驻波系数小于1.4，各个端口的匹配性能良好。在所设计频带内，传输损耗小于3.5dB，端口隔离度均大于20dB，输出端口在工作时基本不会相互影响，具有很好的隔离效果.仿真曲线见图3至图6。

4 结语

本文通过ADS和HFSS软件仿真，基于Wilkinson 功分器结构，设计了一种超宽带功分器;结合两种仿真软件的优点，有效缩短了研制周期[9]，仿真结果的正确性提高了设计效率，且保证了精度。从设计的功分器的仿真结果可看出，在整个宽频带范围内性能良好，该功分器的各性能指标均满足设计要求，验证了该设计方法的可行性，同时本文的超宽带功分器在超宽带通信技术中也有很好的应用前景。

参考文献

[1] R.E.Collin.Foundation of microwave engineering， McCraw-Hill，Inc，1992.

[2] David M.Pozar微波工程（第三版）[M].北京：电子工业出版社，2015.

[3] 清华大学微带电路编写组.微带电路[M].北京：人民邮电出版社，1976.

[4] 朱英超，杨青慧，张怀武.超宽带功分器的设计[J].電子技术与软件工程，2016（11）：138.

[5] 何猛.超宽带微波功分器的研制[D].成都：电子科技大学，2009.

[6] 陈茂林.2～4GHz 宽带Wilkinson六功分器的仿真和设计[J].通讯世界，2018（7）：62-63.

[7] 杜姗姗，杨青慧，张怀武.1～18GHz超宽带功分器的设计[J].压电与声光，2017，39（4）：498-500.

[8] 郭峥，池少腾，杨自强.2～12GHz超宽带功分器的设计[J].应用科技，2015，42（4）：34-37.

[9] 赵兰，廖斌.宽带Wilkinson功分器的研制[J].材料导报，11，2007，21（11A）：195-197.