任健 许敏超

（中国电子科技集团公司第三十六研究所 浙江 嘉兴 314001）

近年来，无线通信技术日新月异，微波通信技术和系统的应用也呈现出飞速发展的态势，进而导致了频率资源日趋进展，微波毫米电路设计逐渐向着高性能、小型化、低成本的方向发展，只有这样，才能够更加有利于微波通信的发展。

功率分配器主要是用于将输入的信号分散成为若干个小功率信号，且应用极为广泛的一种无源器件，主要用于无线网络、射频及微波通信系统中。传统的功率分配器多为简单的三端口网络，可完成功率分配和组合，常用的主要分为2种：一种是无耗T型结分配器，缺点是难以同时匹配所有的端口，且输出端口之间无隔离；另一种是电阻性分配器，缺点是全部端口匹配时难以实现无耗，且输出端口也无隔离。随着2002年美国联邦通信委员会（FCC）提出3.1～10.6GHz 的超宽带工作频率可民用化以后，各类超宽带功率分配器从单频到多频、从立体到平面结构、从窄带到宽带，功率分配器的研究就从未停止。本文将首先对Wilkinson 功率分配器的基本原理进行简述，分析一种小型化超宽带功率分配器的设计方法。

1 Wikinson功率分配器

Wikinson功率分配器是目前应用最为广泛的一种功率分配器，当输出端口都匹配时，其仍然保持着无耗的特性，只耗散反射功率，并且其输出端口之间有着良好的隔离特性［1］。

1.1 Wikinson等分功率分配器

最简单的单频工作状态的Wikinson等分功率分配器的每个分支都连接着1/4波长的传输线Z1，端口2和端口3 之间采用电阻R相隔离，各个端口的匹配负载都是Z0。对Wikinson等分功率分配器从端口2和端口3进行记录，由于该网络是横向中心平面对称的形式，因此可采用奇偶模分析法进行分析。定义偶模激励时，Vs2=Vs3=2V0；而定义奇模激励时，Vs2=-Vs3=2V0。对这两个模式叠加处理后，有效激励为Vs2=4V0，Vs3=0，这样就能够求出该功率分配器的相关S参数值。当由端口1 进入激励状态时，端口2 和3 都会接入匹配负载，因此，电阻R上的电流就等于0，此时，从端口1进去的输入电阻抗为：Zin=Z12/2Z0=Z0，可见端口1 是匹配的。这样，Wikinson等分功率分配器S参数可以得出为：

由该公式可以看出，Wikinson等分功率分配器的3个端口能够同时完成匹配。如果从端口1 进行激励，那么这款Wikinson等分功率分配器就是无耗的。但如果是从端口2或端口3进行激励，那么将有一半的功率传输到了端口1，另一半功率则消耗在了电阻R上面。由于S23=S32=0，因此可见输出端口2和端口3之间是相互隔离的。

1.2 Wikinson不等分功率分配器

Wikinson类型的分功率分配器也有不等分的功率分配情况，这类功率分配器为单频工作，端口3和端口2 之间功率比为k2=P3/P2。当功率由端口1 输入时，为了确保功率传输的最大效率，电阻R上的电流值会为0，也就是说电阻R两端的电压是相等的［2］。又由于端口3 和端口2 的功率比是k2，那么R2=k2R3，这样就能够通过，1/4波长阻抗变换器使R2和R3匹配到Z0。

1.3 改进型不等分功率分配器

传统的单频不等分功率分配器都利用端口2和端口3 的电压相等、端接不同负载阻抗来将能量信号传输出去。改进型的不等分功率分配器的分支线的特性抗阻与功率比值是独立的，也不需要1/4波长阻抗来变换阻抗线，其输出端口处的电压比值平方就等于功率比［3］。

2 小型化超宽带功率分配器的设计

本次研究根据双频Wilkinson 功率分配器的工作原理，在双节传输线的基础上，利用三线宽度耦合结构来实现其超宽带性能，并利用一个隔离电阻来实现良好的隔离特性，同时，利用折叠传输线的方法来实现超宽带功率分配器的小型化。利用奇偶模型来对其进行分析技术，得出相应的设计参数。在仿真理想的前提下，加工实物利用矢量网络分析仪对其进行性能测试［4］。

3 超宽带分配器的设计

3.1 采用输入端增加短路线实现超宽带功率分配器

研究采用通过在输入端口增加一段1/4 波长的短路线，设计出一种新的超宽带功率分配器，在输入端口增加1/4波长的短路线，同时，将传输线Z1的电长度改为3θ，能够有效地增加传输极点，即在中心频率点6.85GHz 的两边各增加一个传输极点。由于该结构具有对称性，可利用奇偶模的分析方法来求出设计参数。

3.1.1 设计原理

超宽带的频率变化范围为3.1～10.6GHz，选择中心频点6.85GHz 的电长度θ为90°，即π/2，则对于电长度为θ的传输线在3.1GHz 时其所对应的电长度41°，在10.6GHz 时为139°。如果将出现传输极点的位置分别设立在电长度为41°和139°处，可以得出：

从公式中可以看出，当θ=41°和139°时，都满足，因此会出现两个传输极点。

当θ=41°和139°时，由计算可得，Z1=100.65Ω，R2=133Ω。根据极端，能够得出相应频率的S参数。通过研究可见，当θ=41°和139°时，会出现两个传输极点，且整个通带内都超过10dB。

3.1.2 超宽带功率分配器的实现

前面是对该功率分配器进行理论分析，为了更进一步验证该设计的可靠性，对该功率分配器进行仿真、加工及测量［5］。选用介电常数为2.65、厚度为0.8 的F4B介质，介质损耗角正切为0.003。参数的初始取值由相关计算所得，在HFSS 中建立仿真模型，并对其进行优化。结果显示，仿真结果在超宽带频带内出现3个极点，分别在3.8GHz、6.55GHz和10.2GHz处，出现的偏差可能是理论分析中没有考虑介质损耗、微带线的不连续性及优化后参数所引起的［6］。

3.2 采用耦合线实现超宽带功率分配器

本节通过在输出端口增加一对具有全通响应的耦合线，设计出一种新型的超宽带功率分配器。在端口2和端口3分别增加一段耦合线，就能够有效地增加传输极点。与上一节的超宽带设计一相比，该结构只使用了一个隔离电阻，降低了加工难度［7］。

3.2.1 设计原理

由于该功率分配器具有结构对称性，同样可以使用奇偶模分析方法对进行分析，端口1 的阻抗为Z2=2Z0=100Ω，通过计算可得公式：R=2Z22/Z0，由于未知的参数过多，严格求解相对而言较为困难，但是S参数完全表示已经表达出来，最终优化得出最佳的参数值为：Z2=65Ω，Zoe=70Ω，Z00=50Ω，Z1=91.92Ω，R=169Ω。

通过上面得到的参数分析可见，｜S11｜和｜S22｜在超宽带中心频率点的两边各增加了一个传输极点，从而说明了在输出端口各增加一段全通响应的耦合线可以增加传输极点。隔离度｜S32｜在整个超宽带频率内都大于10dB，满足设计的要求［8］。

3.2.2 超宽带功率分配器的实现

为了更进一步验证该设计的合理性及正确性，研究对该超宽带功率分配器进行仿真、加工及测量。这里选用介电常数为2.65、厚度0.8mm的F4B介质，介质损耗角正切为0.003。结果可见，｜S11｜的测量值从1.3GHz到12.4GHz，结果均大于10dB。而｜S21｜和｜S31｜则从1GHz 到8.5GH，结果均小于1dB，从8.5GHz 到12GHz均小于2dB，具有很好的等分特性。另外，｜S22｜、｜S33｜和｜S32｜分别由从3.1GHz 到12.3GHz，结果均大于10dB。在整个通带内，端口2 和端口3 的回波损耗及隔离的测量结果略较仿真结果好，而端口1 的回波损耗的测量结果比仿真结果稍差，分析导致测量结果和仿真结果之间存在差异的原因主要是由于焊接接头及电阻的位置所引起的［9］。

4 小型化超宽带分配器的设计

4.1 小型化超宽带分配器的基本结构

小型化超宽带分配器包括输入端口1、输出端口2和3。Z0为输出和输入端特征阻抗，其原理与Wilkinson 功率分配器相同。为了能够缩减超宽带功率分配器的整体尺寸，将第二节传输线采用了折叠设计，这样不仅提高了设备的隔离特性，还能够在较大程度上降低功率分配器的尺寸，实现小型化目的，而这样的设计也方便在后期测试环节中对输出端口的SMA 接口的焊接处理。另外，由于在输出端口采用的宽度耦合解耦，也就是微带三线耦合加对应矩形DGS 结构来进行宽度展宽的，以便于能够达到超宽带效果。通过研究发现，宽带耦合结构是在三线耦合所对应的部位开一个矩形缝隙的DGS结构，继而更加有利于宽带展开，而其他部位可设置在面。通过描述可见，这款微带结构的超宽带功率分配器在形式上更加的简单易行，整体结构尺寸更小［10］。

4.2 等效结构的奇偶模型分析

为了实现Wilkinson功率分配器的超宽带性能，本次在传统的双节传输线功率分配器双频特性的条件下，通过宽带耦合结构来完成带宽展宽来得到所需的超宽带功率分配器。

首先，研究先行偶模分析。对于偶模激励，通过端口2和端口3的信号，无论是在幅度还是相位方面都是相同的，故而无隔离电阻R，此时的电阻R可以忽略不计。将电路中线做隔断处理后，输入特性阻抗ZO，这里就相当于并联了两个特性阻抗2ZO，通过计算。最终可得公式：Z1=2Z20/Z2。其次，对奇模进行分析。对于奇模激励，则通过端口2 和3 的信号幅度相同，但两者的相位则为相反的，因此，其中路可看作为零电压点，也就是短路点。隔离电阻取R/2，端口1的特性阻抗即为0，其主要是因为当电流中线全部发生短路后，端口1 的特性阻抗两端会同时出现短路，这就相当于阻抗为0。通过求解发现，为了能够得到所需的频率、特性阻抗、传输线长度等关系式［11］，需要注意如下几点：（1）隔离电阻R的阻隔值在工作过程中是否会随着频率的变化而发生改变；（2）如何能够根据所得特性阻抗来计算出隔离电阻的阻值。需要重点注意的是，在计算过程中。需要证明的是隔离电流问题，这个结果会直接关系到最终求得的隔离电阻R的值。在这个前提下，通过计算。可得阻隔电阻R的阻值，从而推导出电阻阻值和两个不同频率间的相关性。通过计算验证出隔离电阻和频率变化之间没有明显相关性［12］。

4.3 小型化超宽带功率分配器的实现

本文采用的超宽带功分器选取材料为Rogers RT/duroid 5880，相对介电常数为2.2，厚度为0.787mm。在选定频率的情况下，利用宽带三线耦合加窄型的矩形DGS 结构来对各个频率点宽度进行展宽处理，已达到超宽带功分器的效果。为了便于试验研究，本文将频率设定为4.0GHz 和7.5GHz，通过相关参数的求解公司，采用仿真软件，计算出最终的优化参数分别为：

W0=2.5mm；L0=7.00mm；W1=1.45mm；L1=6.9mm；W2=1.28mm；L2=10.90mm；L3=2.00mm；W4=0.41mm；L4=8.20mm；W5=3.1mm；L5=8.5mm；R=100Ω。

考虑在加工过程中会持续缝隙等问题，因此，将耦合结构的耦合缝隙设定为g1=0.20mm，g2=0.20mm。根据参数加工，所得的超宽带功率分配器的实物尺寸为22.00mm×33.45mm，通过尺寸，可以看出这款超宽带功率分配器明显较小，在实现超宽带特性的基础上，也实现了小型化。通过这款超宽带功率分配器的仿真结果图，可以看出，该超宽带功率分配器的频带范围在3.1～10.6GHz。在正常的情况下，回波损耗都能够保持在-15dB 以下，但是在高频的部分则会表现出变差的趋势。通过超宽功率分配器实测图结果可见，实测的结果和仿真结果基本能够吻合，回波损耗都能够保持在-10dB以下。

通过对比超宽带功分器的隔离度，通过软件仿真和实测之后的结果，能够发现，实测结果和模拟仿真的结果会存在一定差距，但是两者的隔离度均能够保持在-10dB 以下，导致两者存在差距的原因可能是由于在焊接SMA 街头的过程焊接和电阻位置发生误差所导致的，但是这些误差是在可接受范围内的［13］。

5 结语

本文所提出的这种适用于超宽带结构的小型化超宽带功率分配器的加工难度较低，其仿真结果和试验结果都能够得到较高的吻合，符合小型化超宽带功率分配器的设计要求。