一种带状线Wilkinson功分器的设计制作

一种带状线Wilkinson功分器的设计制作
HU Yue;WU Zhilin;SHI Yu;LIU Lan;WEN Jie;LIU Lele
【摘要】针对微波射频器件小型化的需求,文中采用ADS与HFSS联合仿真设计
的方法,设计并制作了一种宽带小型化带状线一分二Wilkinson功分器.使用带状线结构取代传统的微带线结构,并引入“蛇形布线”和“翻折结构”,利用过孔进行垂
直互连.采用PCB板叠压的形式实现带状线结构和隔离电阻的装配.此结构在很大程度上减小了功分器的物理尺寸,并拥有优良的电性能.测试结果表明,功分器在1 ～3 GHz的工作频带内,插入损耗＜0.7 dB,隔离度＞18 dB,驻波在1.4以下.
【期刊名称】《电子科技》
【年(卷),期】2018(031)012
【总页数】5页(P52-56)
【关键词】Wilkinson功分器;带状线;宽带;小型化;ADS;HFSS
【作者】HU Yue;WU Zhilin;SHI Yu;LIU Lan;WEN Jie;LIU Lele
【作者单位】;;;;;
【正文语种】中文
【中图分类】TN626
在微波射频系统中，功分器将输入功率按一定的比例进行分配，同时也可逆向使用，用作功率合成器，是最常用的无源微波射频器件。

例如，在相控阵雷达中，功分器被用于将发射功率按照一定的比例分配给相应的T/R组件[1-2]；在测向系统中，
功分器被用于将标校信号分配给对应的开关组件。

随着微波射频技术的不断发展，对系统和器件的小型化提出了更高的要求[3]。

微
带结构的Wilkinson功分器结构简单，易于集成，但它的功分输出分支线为λ/4
传输线，致使功分器在工作频率较低的时候尺寸较大。

同时，单节功分器无法适应宽带的需求[4]，其节数的增加也导致尺寸扩大，制约了小型化的发展。

有学者指出，有关 Wilkinson功分器的研究主要致力于降低整体电路区域大小[5]，可见减
小功分器的尺寸对功分器的研究意义重大。

为了进一步减小功分器的尺寸，可采用非均匀传输线的方式[6-8]，也可采用在多层板中多层布线的方式，用带状线取代
微带线，这样可以避免传统微带线结构单层布局的局限。

相比于微带线，带状线可传输TEM模的电磁波，具有损耗较小、抗干扰能力强和功率容量大等优势[9]。

但是，带状线不利于功分器隔离电阻的集成，不利于端口处射频接头的安装，且不利于设计调试。

在此基础上，设计了一种方便调试的带状线Wilkinson功分器。

功分器的核心电
路部分为带状线结构，在输入输出端口处，为了便于测试接头的装配，将带状线转换为微带线。

设计过程中先后使用ADS和HFSS两种软件进行电路仿真和电磁场
仿真，调整功分器的参数，使其达到使用要求。

同时，也对结构进行了一些优化，使其满足小型化的需求。

经过测试发现，功分器的各项指标性能良好。

2 Wilkinson功分器设计
二等分Wilkinson功分器是一个三端口器件，对于任何三端口网络而言，不能同
时满足网络无耗，端口互异和各端口匹配3个条件[10-11]。

通过在Wilkinson功分器功分输出的两端口间设置电阻R，引入了损耗，从而使各端口具有良好匹配。

同时，电阻R的引入改善了输出两端口间的隔离度。

Wilkinson功分器具有一定的频率特性，当使用频率偏离器件中心频率一定带宽外，功分器的诸多指标均恶化，无法满足使用要求。

通过增加功分器的节数，可以有效
的改善宽带特性，扩宽工作频带范围。

功分器中每一节均由一组λ/4传输线和一
个隔离电阻R构成。

功分器的工作频率范围为1～3 GHz，最高频率f2与最低频
率f1之比f2/f1为3，采用三节结构可满足本次设计要求[12]，结构原理图如图1所示。

图1 功分器设计结构图
图1所示的功分器结构包含阻抗分别为Z1、Z2和Z3的3对λ/4传输线以及3个隔离电阻R1、R2和R3，运用多节阻抗变换的原理可以计算出各级传输线的阻抗。

功分器的中心频率f0=2 GHz，相对带宽Wq=(f2-f1)/f0=1，阻抗比r=2，因此
查表可知，每节λ/4传输线的归一化阻抗分别为相应的阻抗值分别为Z1=86.980 Ω，Z2=70.71 Ω，Z3=57.485 Ω。

由奇偶模分析法[13]可得，隔离电阻的值分别为R1=100 Ω，R2=210 Ω，R3=400 Ω[14]。

由此功分器的一些基本参数得以确定，在板材信息确认的情况下，可以计算出功分器的结构尺寸。

利用ADS仿真软件可以无需计算相关的结构尺寸，由软件自动生成。

3 仿真设计
仿真设计分为两个阶段，第一阶段是利用ADS软件，从链路的角度仿真基本的带状线功分器模型，从而得到功分器的基本参数，如结构尺寸、电阻值等。

ADS是
基于矩量法的2.5D电磁仿真软件，它仿真速度快，便于修改参数，但是在带状线电路仿真中存在仿真精度不高的缺点，因此先进行ADS仿真，快速确定模型。

第二阶段是对模型进行一些修改以适应小型化，利用HFSS软件进行三维电磁场仿真，确定最终的结构。

HFSS是基于有限元算法的3D电磁仿真软件，它仿真精度高，但速度较慢，不便于修改参数[15]。

3.1 ADS仿真
ADS软件提供了便捷的仿真工具，利用Design Guide菜单下的passive circuit
工具设计初步的模型，输入频带范围1～3 GHz、节数3和带状线板材的相关参数：
相对介电常数εr=3.66、介质厚度B=40 mil、金属层厚度T=0.035 mm、损耗角正切tanD=0.000 1。

输入参数后，用ADS生成一个初步的模型。

为了满足小型
化的需求，对功分器的走线进行处理，将“操场形”走线改为“蛇形”走线，有效缩小了功分器的宽度。

用ADS将链路生成版图，图2所示是采用“蛇形”走线与未采用“蛇形”走线的版图对比，采用“蛇形”走线后宽度约缩小为未采用时的56%。

对比两种结构的仿真结果发现，在不考虑电磁场空间效应的电路仿真中，
由于更改电路的结构并没有改变电长度，仿真结果没有受到影响，仿真结果如图3所示。

图2 ADS仿真结构图
图3 ADS仿真结果
由图3可以看出，在不考虑3 dB功分损耗的情况下，功分器插入损耗<0.22 dB，各端口回波损耗<-20 dB，输出端口间隔离度>22 dB，性能良好。

但由于没有考
虑到电磁场的空间效应，仿真结果为理想化的结果，理论上优于实际结果。

仿真完成后，将版图导出为dwg格式的文件。

使用Auto CAD软件打开文件并处理，删掉非外框的内部多余的线段，在功分器几何位置中心附近将功分器截断，分为两段，并分别将两段线段连成封闭的线，最后将图形某端点移到坐标原点处，另存为dxf格式的文件。

3.2 HFSS仿真
将dxf格式的文件导入到HFSS中，添加带状线厚度，并逐步添加介质层、空气腔等，完善模型。

使用带状线后，通过采用多层板的方式进一步缩小功分器的尺寸，其主线路分别被置于两层，通过过孔垂直互连，被截断的两部分主线路在Z轴方向重合，缩小了
功分器的长度。

带状线具有良好的屏蔽特性，有效降低了空间上由于链路平行所导致的串扰，Z轴方向重合的主线路间具有良好的隔离。

图4所示为功分器的三维仿
真模型。

图4 HFSS仿真结构图
由图4可以看出，翻折后在很大程度上缩小了功分器的长度，功分器的主体部分
长度约缩小为翻折前的一半。

在输入输出端口处，为了便于装配测试接头，将带状线转换为微带线。

为了保证微带线仍为50 Ω传输线，需要改变其线宽。

传输线宽度跃变会引发阻抗失配，增加反射，导致增大插损且恶化驻波。

采用切角补偿的方式对反射有明显的改善，Rakesh Chadha 和K. C. Gupta在对宽度跃变进行切角
补偿的研究中发现，60°切角的性能最佳[16]。

传输线切角示意图如图5所示。

图5 传输线切角示意图
良好的垂直互连结构对于实现带状线之间的平稳转换，保证微波信号的有效传输至关重要。

垂直互连分析分为两步，第一步是确定互连的位置。

射频信号通过过孔传输，具有一定长度的过孔无疑增加了电路的长度，为了保证传输线的长度仍为λ/4，需缩短互连位置所在节的传输线的长度。

设置相关位置传输线长度为变量，通过HFSS软件进行仿真优化，确定最佳的互连位置。

第二步是减小垂直互连引入的反射，国内外已有文献对这一方向做过研究，对其中的电磁特性进行了大量分析。

采用HFSS对层间垂直互连结果进行分析，结构有以下4种，分别如图6所示。

图6 垂直互连仿真结构
仿真结果如图7所示。

由图7可看出，第2种互连方式传输效果最好，插损最小
且驻波最小；第4种结构传输效果最差，插损最大且驻波最大；第1种和第3种
结构性能介于两者之间。

采用第2种结构，用HFSS进行仿真，图8是功分器的
三维仿真曲线。

图7 垂直互连仿真结果
图8 HFSS仿真结果
由图8可以看出，不考虑3 dB功分损耗的情况下，插入损耗<0.4 dB，较ADS仿
真数据恶化了0.2 dB，回波损耗<-16dB，隔离度>20 dB。

结果相较于ADS仿真有所恶化，传输线的不连续引起的反射增加了插损，同时也恶化了驻波。

模型中输出两端口位于同一直线位置上，且呈180°反向放置，有效减少了空间耦合，具有
较好的隔离度。

4 实物制作与测试
为了便于实物制作、调试和测试，采用PCB板叠压的方式实现带状线。

即两块介
质厚度相同的微带基板重叠在一起，带状线位于重叠处某一块基板上。

通过边缘邮票孔上锡的方式固定，形成带状线。

在需要放置隔离电阻的位置处将上层介质板镂空，从而解决了带状线功分器无法装配贴片电阻的问题。

但介质板镂空处有少量带状线失去一侧的介质，成为微带线，会引入一些反射。

实物由3片介电常数为3.66的罗杰斯公司的ROS-4350B基板、3颗0402封装
的贴片电阻以及3个SMA-KHD9A射频接头组成。

其中，3片基板包括两块14 mm×12.25 mm×0.508 mm的盖板和一块19.6 mm×15 mm×1.016 mm的中
间层电路板，两块盖板分别盖在中间层电路板的两侧，盖板上留有贴片电阻的孔位。

中间层电路板为3层板，包含3个金属层和两个介质层，介质层厚度均为0.508 mm，中间金属层为金属地，两边金属层分别为功分器的电路。

盖板为双面板，一层无金属，另一层为金属地。

实物装配首先需要将3颗0402封装的贴片电阻焊接在中间层电路板的正反两面，然后将3个SMA接头焊接在相应的位置，最后将两个盖板分别盖在中间层电路板的正反两面，焊接邮票孔固定，实物样品如图9所示。

图9 功分器实物图
利用Agilent 公司的E5071B矢量网络分析仪对功分器进行测试，测试曲线如图
10所示。

图10 实物测试结果
由图10可以看出，在不考虑3 dB功分损耗的情况下，全频段插入损耗<0.7 dB；1端口驻波优于1.4，二端口和三端口驻波优于1.3；二端口和三端口间隔离度优
于18 dB，典型值优于20 dB。

实物测试结果较仿真数据恶化不大，恶化原因包括加工工艺的偏差、多处传输线不连续、接头处引起的反射和叠压结构中间层不紧密。

造成的影响均在可接受范围内，满足设计的要求。

5 结束语
基于Wilkinson功分器的基本理论，以平面带状线功分器为基础，通过ADS及HFSS等仿真软件，逐步优化并最终完成了小型化功分器的设计制作。

通过采用“蛇形走线”和“翻折结构”，使功分器的尺寸约缩小为优化前的56%以内。

功
分器工作在1～3 GHz，此频段覆盖了GPS、北斗、蓝牙和WiFi等常见的频段，
具有广泛的用途[17]。

实物测试表明，该功分器具有较低的插损、良好的端口间隔离度和驻波，适应现代通信设备中对电路小型化的要求，具有广阔的应用前景。

参考文献
【相关文献】
[1] 何猛.超宽带微波功分器的研制[D].成都:电子科技大学,2009.
[2] 杨星华.X波段一分八带状线功分器设计实现[J]. 科学时代,2015(11):35-35.
[3] 王江航.微带功分器的研究与设计[D].成都:电子科技大学,2015.
[4] Wilkinson E J.An N-way hybrid power divider. microwave theory and techniques[J].IRE Transactions on Electromagnetics,1960,8(1):116-118.
[5] Shamaileh K,Dib N I.Design of compact dual-frequency Wilkinson power divider using non-uniform transmission lines[J].Progress in Electromagnetics Research C,2011(19):37-46.
[6] 张雅兰,刘九菊.基于非均匀传输微带线设计 Wilkinson功分器[J].电子科技,2015,28(5):71-73.
[7] Hosseini F,Hosseini M K A,Yazdani M.To compactring branch-line coupler using non-uniform transmission line[J].Microwave and Optical Technology Letters,2009,51(11):2679-2682.
[8] Khalaj-Amirhosseini M.Analysis of coupled nonuniform transmission lines using Taylor’s series expansion[J].IEEE Transactions on Electromagnetic
Compatibility,2006,48(3):536-544.
[9] 张国忠,李伟.一种新型的带状线功分器设计[J].火控雷达技术,2015,44(4):69-72.
[10] David M Pozar.微波工程[M].北京:电子工业出版社, 2015.
[11] 栾秀珍. 微波技术[M]. 北京: 北京邮电大学出版社, 2009.
[12] 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.
[13] 梁联倬.微波网络及其应用[M].北京:电子工业出版社,1985.
[14] 赵海,刘颖力,张怀武,等.宽带Wilkinson功分器的设计仿真与制作[J].电子元件与材
料,2010,29(12): 28-30.
[15] 马子余.基于ADS与HFSS的带状线功分器的设计与实现[J].电子设计工程,2011,19(20):124-126.
[16] 毛剑波.微波平面传输线不连续性问题场分析与仿真研究[D].合肥:合肥工业大学,2012.
[17] 张红宇,王永慧,楼平,等.射频宽带Wilkinson功分器的设计[J].无线互联科技,2017(3):23-25.。