微带不等分功分器设计与仿真

性阻抗为Z0，两段分支微带线电长度为/4，特性阻抗特性阻抗为Z0，两段分支微带线电长度为/4，特性阻抗分别为Z02和Z03，终端分别接负载R2和R3。

首先做以下3条假设:

(1)Port1无反射
(2)Port2，3输出电压相等且同相;
(3)Port2，3输出功率比值为任意指定值1/k2。

根据上面3条可得：

由传输线理论有:

设R2=kZ0，则Z02，Z03，R3的计算公式为:

取k=1，即得到3dB Wilkinson功分器的各参数值为:R2=R3=Z0，Z02=Z03=2Z0，为了增加隔离度在Port2，3之间添加了一个电阻R=2Z0，其结构如图1(b)

所示。通过上述分析得到3dB Wilkinson功分器的所有元件的参数值，接着就可以进行设计了。

2、Wilkinson功分器的设计

本文使用Agilent公司的ADS软件进行功分器的设计、仿真和优化获得参数性能较好的尺寸结构，通过Protel软件画出PCB图并制作实验板用于测试，最后制作的功分器结构如图2所示。

图1、传输线结构的功分器

图2、功分器结构

(1）、Wilkinson功分器的指标参数：

描述3dB Wilkinson功分器的关键指标有3个
(1)Port1的回波损耗:
RL1=-20log|S11|
(2)Port1和Port2之间的耦合度:
CP12=-20log|S21|
(3)Port2和Port3之间的隔离度:
IL23=-20log|S23|

由对称关系可知，端口1，3间的耦合度等于端口1，2间的耦合度。在理想情况下，中心频率处的回波损耗和隔离度应该接近负无穷大，耦合度应该尽量接近3dB。本文设计的功分器工作在0.9~1.1GHz频段，中心频率1.0GHz，采用双面敷铜的FR-4介质板，相对介电常数r=4.3，厚度h=1.5mm，要求通带内各端口反射系数小于-20dB，端口2和端口3之间的隔离度小于-20dB，端口1和端口2之间的耦合度小于3.5dB。

(2)、Wilkinson功分器的仿真与优化

根据文献[3]中传输线特性阻抗计算方法，可以得到特性阻抗为Z0=50的传输线宽度W13mm，Z02=Z03=70.7的传输线宽度W21.52mm，1/4的70.7传输线长度L41.28mm。得到上面这些初始值后就可以开始进行下一步的软件仿真，在ADS的软件环境中选取各种需要的微带线工具，根据上面获得的数据设置好各个元件的初值。将1/4的传输线长度L和他的宽度W2设置为变量，将S11，S21，S23作为优化指标，然后不断进行迭代运算和优化，最后得到W2=1.8mm，L=42.35mm，仿真得到S11，S21，S23的值分别如图3中的实线所示。

图3、仿真图

（3）、测试结果

功分器各性能指标的测量采用Agilent公司的E5071B网络分析仪，测试时3个端口的其中之一接50匹配负载，S11，S21，S23的测试值与仿真值的比较如图3所示，从测试结果可见，中心频率有很小的偏移，S21产生一定误差，这是由于实验采用的双面敷铜介质板本身功率损fr-4耗较大且实际介电常数有偏差的原因。其余各指标均达到设计目标，且测试与仿真值整体上吻合较好。

五、设计结果和分析

威尔金森设计向导S参数：

优化后的S参数：

Ads设计向导设计不等分功分器原理图：

微带功分器原理图：

设计微带功分器的原理图的S参数：

六、总结

实际应用中，常需要将某一输出功率按一定的比例分配到各分支电路中，例如:在相控雷达系统中，要将发射机功率分配到各个发射单元中去;在GSM通信系统中，从锁相环到接收、发射端，都需要用到功率分配器;RFID电路中，也需要将特定的功率均等地分配到不同的端口去;在微波毫米波系统中广泛应用功率分配器将输入功率分配到各个支路中，功分器作为一种低耗的无源器件已经必不可少。将探讨在射频带上实现等比功分器的方法，并用ADS软件来实现微带线形式功分器的设计和仿真。

七、体会

对于微带功率分配器我们常用的是功率等分的功率分配器，有很多软件对于功率分配器的仿真都是可以的，常用的有ESSOF，ADS，Microwave Office等，由于软件仿真的结果是理想化的，所以插入损耗与实际的差别由于电阻接头等引的误差是不可避免的，一般情况是由实际材料等决定的。而对于各个端口的回波损耗及隔离度，ESSOF，Microwave Office的仿真结果很接近，与实验结果相比较而言，一般仿真结果需要达到28dB实验出来的才能达到21dB，但仿真结果超过28dB后实验的结果变化并不大，这可能与电缆、接头等的回波损耗有关系的。如果采用的是ADS，由于建模更接近真实，考虑到拐角等，一般情况下回波损耗及隔离度仿真结果与实验结果相差3~4dB左右，也就是说仿真是24dB而实际只能做到21dB。

以上只是根据一些实验情况总结出来的，而实际设计过程中要考虑到加工误差、材料误差等各种情况，根据实际情况进行分析。

八、参考文献

[1]Reinhold Ludwig，Pavel Bretchko.射频电路设计应用[M].王子宇，译.北京:电子工业出版社，2002.
[2]刘学观，郭辉萍.微波技术与天线[M].西安:西安电子科技大学出版社，2004.
[3]Kai Chang. RF and Microwave Wireless Systems[M].John.wiley & Sons，Inc，2000.