胡 越，吴治霖，石 玉，刘 兰，温 杰，刘乐乐

(1.电子科技大学 微电子与固体电子学院，四川 成都 610054；2.中国电子科技集团公司第三十研究所，四川 成都 610041；3.中国电子科技集团公司第二十九研究所，四川 成都 610036)

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

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。