一种微带一分八Wilkinson功分器的设计与实现

图 6 插入损耗仿真结果
mfre4q= 16.25GHz
dB(S(2,4))=-32.407 ( 6(
U o 2 4 8 <12
((ew )s )s p
( 5 ) s )s p ((h9)s)sp
<xpss))r
3 3
mfdrBe5q(S=(136,4.2)5)=G-H32z.999 3
16.2 16.6 17.0 17.4 17.8 freq,GHz
Abstract B y analyzing the tra d itio n a l W ilk in s o n p o w e r d iv id e r and q u a rte r im pedance tr a n s fo r m e r s m ic ro s trip W ilk in ­
〇
图 3 —分八功 分 器A D S原理图
20dB，幅度<0. 04dB，相位< ± 0 . 7°满足设计要求。
图 4 H FSS仿真模型
4 一分八功分器仿真结果
mfdrBe2q(S=(126,2.2)5)=G-_H26z_.49_4
-14 -16 -18
/
/
雜 5 -2〇
/
mmm
mfdrBelq(S=1(l6,l.)2)5=G-2=H6z=.8=85-
考虑一般情况（比例分配输入功率），设三号端 口p 3 和 二 号 端 口 朽 的 输 出 功 率 比 为 即
k2= Y 2
(1)
Z
〇3 __
/ V
T
TF
k3
Z〇2=\/ ^ (1
(9)
为了实现二号端口和三号端口的隔离，即二号
端口或三号端口的反射波不会进入三号端口或二
号 端wk.baidu.com口 ，可选择
只
=
（1 0 )
CHENG Guangwei HU Jie
(S ch o o l o f E le c tro n ic In fo rm a tio n E n g in e e rin g ,X i，an T e ch n o lo g ica l U n iv e r s ity , X i ^ n 710032)
则可以满足式（4)。为 了 保 证 一 号 端 口 匹 配 ，
应有:
1_
I ^3
1 kZ^ Zs
(6)
Z2〇2 kZls
f f 同时考虑到 =k
(7)
则有
^=
乙0
( ^ -2 +
1
)Z
^
〇
3
=
( ^ -2 +
1
)Z
^
〇
3
( 8)
因此可得到
图 1 W ilk in s o n 功分器基本结构图
图中，Z 。是特性阻抗，Ag 是信号的波导波长，E
W ilkin so n 功分器是一种常见的功率分配器， 因其具有良好的幅度相位特性和简洁的设计，在实
P示 工 程 中 有 着 广 泛 的 应 用 。本 文 介 绍 的 一 分 八
W ilkin so n 功分器是在一分二功分器的基础上通过 级 联 而 成 。考 虑 到 各 个 阻 抗 变 换 段 的 长 度 和 隔 离 电阻的安装位置，功分器在四分之一波长阻抗变换 段采用“蛇形”布 局 ，使功分器设计更紧凑。在原理 推 导 的 基 础 上 说 明 其 工 作 方 式 ，紧 接 着 完 成 了 A D S 设 计 及 仿 真 ，并 使 用 H F S S 进行了三维电磁 仿 真 ，根据得到的数据制作了实物，最后使用网络 分析仪进行实测，获 得 的 结 果 与 仿 真 数 据 比 较 吻 合。
15. 7 5 G H z 〜 16. 2 5 G H z 频率范围内端口驻波比小于 1. 4 , 在 16. 2 5 G H z 〜 16. 7 5 G H z 频 率 范 围 内 端 口 驻 波 比 小 于 1. 4 ,端口
隔 离 度 大 于 2 1 d B ，插 损 小 于 0. 7 d B 。
V o l. 45 No. 3 574
计算机与数字工程
C o m p u te r &• D ig ita l E n g in e e rin g
总第329期 2017年第3 期
一 种 微 带 一 分 八 Wilkinson功 分 器 的 设 计 与 实 现 ¥
程光伟胡杰
(西 安 工 业 大 学 电 子 信 息 工 程 学 院 西 安 710032)
p 21
(2)
Ps 1
将 式 (2)代入式(1)，得
mz2 = kkMz2
(3)
Z2= k 2Z3
(4)
式 中 ，Z 2、z 3为二号端口和三号端口的输入阻抗。
若选择
(Z2= k 2Z0
(5) k
本文所设计的功分器技术指标如下： 工 作 频 率 为 15. 75GHz〜 16. 75GHz，插 损 < 1. 5dB，幅度不平衡度< ± 0 . 3dB，驻波< 1 . 4 ,相位 < ± 2 . 5 , 隔离度> 2 0 d B ;功率容量> 3 0 W ，尺寸小 于 112mm * 21mm0 为了满足设计要求，本文对微带设计部分进行 了改进，在保证微带间耦合较小的前提下对阻抗变 换段采用蛇形走线，使 其 在 较 小 的 尺 寸 下 满 足 A/4 阻抗变换要求，同时有利于隔离电阻的放置，使得 整 个 设 计 更 为 紧 促 ，尺 寸 更 小 。 考虑到工作时的功率容量，介 质 基 板 选 用 R〇gers5880,其 相 对 介 电 常 数 为 2. 2 ,厚 度 为 0. 254。通 过 A D S 的 LineCalc工 具 可 以 计 算 出 在 中 心 频 率 16. 25GHz时 ，特 性 阻 抗 ； = 5 0 〇h m 的传输线宽度 和四分之一波长线在70. 7〇h m 的传输线宽度，得到 上述初始值之后在A D S 中通过一分二功分器级联 得到所需的一分八功分器。为了能够进一步优化功
在等功率分配的情况下，即 朽 = p 3，々 =1，有
7,2= Zz= Zq
< ^02 = Z 〇3=\[2Z q
(11)
R = 2Z〇
为了增加隔离度，在两路输出之间添加一个只 = 2Z 〇的电阻。
3 Wilkinson功分器的设计
由于一号端口到二号端口与一号端口到三号 端口的线长度相等，故 二 号 端 口 的 电 压 u 2与三号 端 口 电 压 u 3相 等 ，即 u 2= u 3。二号端口与三号端 口的输出功率与电压的关系为
摘 要 通 过 对 传 统 W U k m s o n 功率分配器和四分之一波长阻抗变换线进行分析，研 究 并 设 计 了 一 种 微 带 线 W U km -
s o n — 分八功分器。对 设 计 的 功 率 分 配 器 进 行 A D S 和 H F S S 协 同 仿 真 ，通 过 比 较 仿 真 和 测 试 结 果 ，两 者 基 本 一 致 ，在
Key Words W ilk in s o n p o w e r d iv id e r, A D S , H F S S , iso la tio n Class Number T P 391. 9
i 引言
功分器全称功率分配器，是一种将一路输入信 号功率分成两路或多路的等分或不等分功率输出 的一种多端口无源微波网络，相反它也可以将多路 信 号 进 行 功 率 合 成 。在 微 波 系 统 中 ，需 要 将 发 射 功 率按一定的比例分配到发射单元，因此功分器在微 波 系 统 中 有 着 广 泛 的 应 用 。它 的 性 能 好 坏 直 接 影 响着整个系统的能量分配和合成效率。随着技术 的 进 步 ，功 分 器 的 研 究 朝 着 宽 频 带 、小 型 化 、低功耗 方向发展。
是 隔 离 电 阻 。当 信 号 从 左 端 的 一 号 端 口 输 入 时 ，功 率 从 二 号 端 口 和 三 号 端 口 等 功 率 输 出 。如 果 有 必 要 ，输出功率可按一定比例分配，并保持电压同相，
电 阻 只 上 无 电 流 ，不 吸 收 功 率 。若二 号 端 口 或 三 号
端 口 有 失 配 ，则 反 射 功 率 通 过 分 支 叉 口 和 电 阻 两 路 到达另一支路的电压等幅反相而抵消，在此点没有 输 出 ，从而可保证两输出端口有良好的隔离。
2017年第3 期
计算机与数字工程
575
很 高 ，所以需要采用混合型的功率分配器，即 W il­ kinson 功分器。W ilkinson 功分器的工作原理是在 简单功分器中引入隔离电阻，从而实现了信号链路 的 匹 配 和 高 隔 离 度 。引 入 隔 离 电 阻 后 ，功分 器 变 为 有 耗 的 三 端 口 网 络 。从 三 端 口 网 络 的 基 本 性 质 可 知 ，有耗三端口网络可以做到完全匹配且输出端口 之 间 具 有 隔 离 ，从 而 改 善 了 普 通 功 分 器 的 不 足 。同 样 ，该类型的功分器可以实现任意的功率分配比， 且可方便地用微带线和带状线来实现。
24 -26
\ \
/
y m 2 ^ w
16.2 16.6 17.0 17.4 17.8 freq,GHz
图 5 回波损耗仿真结果
分别利用ADS和 HFSS软件对功分器回波损 耗 、隔离度、端口驻波比及幅度相位关系进行仿真分 析 ，相关的仿真结果如图5〜1 1 所 示 ，其 中 图 5〜7 为 ADS仿真结果，图 8〜1 1 为 HFSS仿真结果，从图 中 可 以看出A D S 仿 真 结 果 较 好 ，均达到了设计要 求 ，而 HFSS因建模更接近于真实情况，考虑因素更 多 ，其 仿 真 结果没有A D S 仿 真 结果好，其输入端口 驻波比<1. 32,输 出 端 口 驻 波 比 <1. 3,隔 离 度 >
图 7 输出端口间的隔离度
15.75
576
程光伟等:一种微带一分八Wilkinson功分器的设计与实现
第45卷
分器性能，对一分八功分器模型中各段长度和半径 设置变量，通过大量仿真优化得到最终的原理图如
下所7K 。 一分二及一分八功分器原理图如下：
图 2 —分二功 分 器A D S原理图
在 进 行 A D S 参数优化之后，根 据 A D S 最终定 型的参数进行了 H FSS仿 真 ，其 仿真模式如图4 所
关 键 词 W U k m s o n 功 分 器 ；A D S ; H F S S ; 隔离度
中图分类号 TP391. 9
D O I：10. 3 9 6 9 /j. is s a 1672-9722. 2017. 03. 035
Design and Implementation of a l-to-8 Wilkinson Microstrip Power Divider
son p o w e r d iv id e r is researched and designed. T h e designed p o w e r d iv id e r is sim u la te d based on A D S and H FSS. B y com ­ pared s im u la tin g and te s tin g , th e re su lts o f A D S and H F S S reach consensus. F ro m 15. 7 5 G H z to 16. 2 5 G H z frequency range, th e p o rt V S W R is less th a n 1. 4. F ro m 16. 2 5 G H z to 16. 7 5 G H z frequency ran g e , th e p o rt V S W R is less th a n 1. 4 , th e iso la tio n is m ore th a n 21 d B , in s e rtio n loss is less th a n 0. 7dB.
2 Wilkinson功分器基本原理
简 单 的 二 等 分 功 分 器 属 于 三 端 口 网 络 。 由于 普通的无耗互易三端口网络不可能达到完全匹配， 且输出端口间无隔离，而工程上对信号的隔离要求
收 稿 日 期 = 2016年 9 月 1 0 日，修 回 日 期 = 2016年 1 0 月 2 9 日 作 者 简 介 : 程 光 伟 ，男 ，副 教 授, 研 究 方 向 : 通信与电子信息专业领域的教学及研究工作。胡 杰 ，男 ，硕 士 研 究 生 ，研究 方向:射频功放。