ETC一分四不等比Wilkinson功分器的设计与实现

王烁 吴纯杰 江良 董丽元

（1.天津科畅慧通信息技术有限公司 天津市 300300 2.天津仁爱学院 天津市 301636）

功分器全称功率分配器，是将输入信号分成相等或者不等的多路信号输出的一种多端口微波器件，即将发射功率按照一定比例分配到各发射单元，其在射频通讯系统中广泛应用。Wilkinson功分器是其中一种常见功分器，不仅有良好的幅度相位特性而且设计简便。

电子不停车收费(ETC)的相控阵天线单元通过对每个天线阵子的信号幅度和相位进行调整，形成所期望的辐射方向图，从而实现对ETC车辆的实时通讯和交易。本文介绍的一分四不等比Wilkinson功分器是在一分二等比和一分二不等比功分器基础上级联而成，除了设计所要求的功分分配比例之外，考虑到系统相位调整，重点优化四个输出端口等相位差和驻波参数，使用ADS进行初步设计，并用Sonnet进行最终三维电磁仿真，制作实物并进行测试，测试结果与仿真数据基本吻合。

1 Wilkinson功分器基本原理

简单的等分功率分配器是一个三端口网络，且输出端口无隔离电阻，不能够实现完全匹配，而Wilkinson功分器的对称性保证了信号的平衡度，同时输出端的隔离电阻R进一步提高了输出端口的隔离度和匹配度，同时通过改变两个输出分支线的特性阻抗，即可实现任意功分比的分配。图1为Wilkinson功分器的基本电路结构。

图1：Wilkinson功分器基本结构图

任意功分比Wilkinson功分器的计算公式如下：

通过上述公式可计算不同功分比下的阻抗值，考虑实际加工中最小线宽为4 mil=0.1016 mm，通过Rogers公司软件Microwave Impedence Calculator计算板材RO4350B-20MIL对应阻抗值大约为133Ω，考虑到Z0A阻抗范围应该小于133Ω较为实际，其对应功率差值范围为-4dB～-5dB，即实际功分器两路幅度不平衡度应于此范围较为合理。

2 Wilkinson功分器的设计

2.1 功分器的技术指标

本文所设计的功分器的技术指标如下：

工作频率范围：5.83GHz～5.84GHz，四输出端口功分比为：1:2.8:2.8:1，即端口3与端口2或者端口4与端口5功率差值均应该≥4.5dB，相位不平衡度≤1°，端口驻波<1.5，隔离度≥15dB。

2.2 单节功分器的设计

考虑到与天线阵子端口对称，整个功分器采用一分二等比功分器和两个一分二不等比功分器的级联方案，该方案的相位平衡度控制也较为简便。

首先计算出中心频点5.835GHz对应特性阻抗Z0=50ohm的传输线宽度和四分之一波长线长度值，以及PA-PB=-4.5dB情况下计算得到功分器各部分的物理参数，在ADS原理图搭建一分二不等比功分器的初步模型，并优化各部分分支宽度、隔离电阻走线宽度等变量参数实现设计指标，一分二不等比功分器-4.5dB的仿真优化结果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设计向导完成自动化流程，即选择模型DA_WDCoupler1至原理图，借助工具DesignGuide里面的Passive Circult-Deign Assitant自动生成整体设计。

2.3 功分器的总体设计

表1：Sonnet仿真结果-幅度平衡度

表2：Sonnet仿真结果-相位平衡度

表3：功分器-驻波比

表4：功分器-隔离度

首先，将等比功分器和不等比功分器原理图合入同一张图，设置相关变量和电路优化，完成初步的整体设计，然后，将其原理图生成至Layout图，修改图形后生成器件模型EM-Component-Creat EM Model and Symbol，最后，新建原理图调入器件模型完成仿真操作，调整优化过程需要在Layout修改和原理图器件仿真之间反复操作。

整体结构在协同仿真后，生成DXF文件导入Sonnet软件，进行进一步微调和精确仿真。考虑到后面需要与天线阵子端口对称，在功分器端口增加了TRL 1/4波长线来优化端口驻波和调整相位平横度，并对1/4波长线和级联微带线宽度和长度重点优化，Sonnet 3D视图和仿真结果见图2所示。

图2：Sonnet 3D View

图3：功分器实物图

3 实物制作和测试

功分器的实物加工采用RO4350B作为介质板，相对介电常数3.66，基板厚度0.508mm，隔离电阻选择0603封装，微带线表面采用开窗处理，且地平面与走线避让尽可能保证3W距离。

使用矢量网络分析仪对样品进行测试，结果如表5～表8所示。从表中数据可见，测试结果与Sonnet仿真结果较为接近，各项指标基本满足设计要求，器件焊接和相位校准是导致相位平横度指标略微超标的可能因素，同时隔离度和驻波比指标可以通过隔离电阻的更换略微优化。

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-驻波比

表8：功分器-隔离度

4 结论

本文在一分二Wilkinson功分器基础上，研究并设计了一分四不等比功分器，通过加工实物并进行测试，测试结果与仿真结果基本较为接近，基本达到了设计要求。采用ADS原理图协同仿真和Sonnet三维电磁仿真，利用两种软件的各自优点，进行数据分析和版图优化，最终确定了实物设计参数。该设计应用在ETC相控阵天线单元，可以完成了对远中近交易区域的发射覆盖和切换，大大提高了ETC车辆的交易成功率和客户体验的满意度。