超宽带功分器的设计

超宽带功分器的设计

作者：朱英超杨青慧张怀武

来源：《电子技术与软件工程》2016年第11期

摘要

首先介绍了宽带功分器的实现方法，然后在Ansoft公司软件HFSS中对功分器建模、仿真，制作出实物：频带范围1-8GHz，尺寸为46.02mm×28mm×10mm，达到了小型化的目的，最后加上隔离电阻，在矢量网络分析仪上进行测试。测试结果表明：功分器在所需要的频带内具有良好的隔离度以及在各个端口均实现了良好的匹配，可以满足实际需要。

【关键词】宽带功分器小型化矢量网络分析仪隔离度匹配

在现代微波毫米波系统中，功分器扮演着重要的角色，其性能的好坏直接影响着整个系统的指标。功分器是一种多端口网络，可以将一路功率信号等分或者按一定比例分配成多路信号，例如在相控阵雷达中，通常需要使用功分器将发射机功率按一定比例分配到天线阵列中。

目前的宽带功分器主要采用微带线、带状线两种结构。带状线结构的功分器具有损耗小、一致性好等优点，但是设计起来比较麻烦。微带线结构的功分器设计相对方便，焊接调试简单，便于和现代板级微波毫米波电路集成，因此我们采用微带线结构进行设计。

1 原理分析

窄带Wilkinson功分器：Wilkinson功分器是目前最常用的一种功分器类型，可以做到在输出端口完全匹配的情况下，具有一定的隔离度。通过在输出端口引入隔离电阻，从而变成有耗网络，因此可以做到全部端口匹配。输入信号从端口1进入，各路分支线的长度是完全相等的，两路信号所经过的电长度是相等的，所以当信号到达端口2和3时，电阻两端是等电位的，没有电流流过电阻，也就不消耗任何功率。此时假如在端口3发生反射，反射回来的功率分一路通过电阻达端口2，另外一路通过端口1重新分配后到达端口2，合理的选择电阻的位置可以使两路信号的相位相差180度，大小相等，方向相反，相互抵消，从而达到隔离的目的。根据奇偶模分析，可以得到隔离电阻的取值为：2Z0。

2 仿真设计与加工

一般设计超宽带功分器时首先根据功分器的带宽确定功分器的阶数，然后查表得到每节归一化阻抗换算成微带线的长度跟宽度。得到初始数据后，在ADS或者CAD中建模导出DXF 文件，带进HFSS里仿真。

本文设计1～8GHz二等分超宽带功分器，采用罗杰斯4003基板，基板的介电常数为

3.55，损耗正切为0.0027，厚度为20mil，微带线采用铜，铜的厚度为0.5盎司，表面采用沉金工艺。为了减少尺寸，以及寄生效应，功分器的隔离电阻采用0402封装的贴片电阻以及圆弧形微带线结构，如图1。

3 超宽带功分器的测试

依据功分器的实物图。功分器装配完成后，使用Agilent的矢量网络分析仪对滤波器的指标进行测试。因为测试时，矢网只有两个端口可以使用，所以测试时功分器输入、出端口在未使用情况下需接入50ohm负载。需要测试的参数分别为回波损耗S11、S22、S33，隔离度

S23。在实际过程中，功分器的输出回波损耗会优于输入回波损耗，所以本文仅给出了输入回波损耗图。图2为实测输入回波损耗图，图3为隔离度的测试图。从图中看出，回波损耗优于-15dB，隔离度大于19.7dB。

对比测试结果以及仿真结果我们可以发现回波损耗、隔离度均达到预期效果，唯独插损不太理想，相对于仿真值恶化了1dB左右。具体分析原因可能有下：

（1）非理想电阻的寄生效应以及人工焊接不可避免导致电阻位置与仿真模型有一定的偏差，会导致匹配恶化，反射增加。

（2）微带线结构有一定的色散且传输的不是理想的TEM波，不可避免会出现一些杂波以及高次模。

4 结束语

本文首先介绍了宽带功分器的实现方法，然后用仿真软件HFSS设计了一款1～8GHz超宽带功分器，实际尺寸为46.02mm×28mm，符合小型化要求。最终的测试结果表明功分器可以满足实际需求。

参考文献

[1]David M.Pozar 微波工程[M].北京：电子工业出版社，2013.

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

[3]郑琨.基于LTCC的宽带功分器的小型化的设计[D].南京：南京理工大学，2013.

[4]尹震峰.微波毫米波功分器/滤波器设计[D].成都：电子科技大学，2012.

作者简介

朱英超（1991-），山西省运城市人，硕士生，主要从事微波器件及组件设计。杨青慧（1979-），教授，主要从事液相外延及微波毫米波器件研究。

作者单位

电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室四川省成都市 610054