谢尹政 张利彬 张明 付振坤 李旷代 蒋睿

摘要：基于传统单节威尔金森功分器结构，通过在输出枝节添加阶跃阻抗结构和额外的传输线进行工作带宽拓展及输出端口宽带匹配，构建了一种小型化宽带功分器设计结构。利用奇—偶模分析法与ABCD矩阵对该结构进行了分析计算。最终设计实现的宽带功分器尺寸为9 mm×12 mm，在8～16 GHz工作频段内，插入损耗小于1.2 dB，端口驻波优于1.5 dB，输出隔离度大于14 dB。该功分器具有结构简单、体积小、工艺实现难度低的优点。

关键词：威尔金森功分器；阶跃阻抗；奇—偶模法；ABCD矩阵

中图分类号：TN626文献标志码：A文章编号：1008-1739（2022）11-68-4

功率分配器/合成器作为一种通用型的微波器件，广泛应用各类无线通信及雷达系统。超宽带技术[1-2]具有宽带频谱资源、快速的系统传输速率、高精度定位能力和低截获概率等特点，对提高无线通信系统的传输速率、信息容量和抗截获概率等性能提供了实现手段，同时超宽带技术的应用，使雷达系统的多径分辨率、定位精度得到了提升。功分器作为微波系统中的重要无源器件，对其基本原理和设计技术的研究已十分广泛。功分器从结构上可分为单层平面式功分器和多层立体式功分器；从工作带宽上可分为窄带功分器和宽带功分器；从分功率分配上可分为等分功分器和不等分功分器。功分器在微波系统中各类功能模块进行了大量的应用，可用于放大器电路的功率合成，可用于阵列天线的功率控制与分配，以及混频电路的信号分配与合成等系统及功能电路。由于功分器作为多信道微波系统中不可或缺的器件，其工作带宽也直接确定了微波系统的工作带宽，随着超宽带技术的兴起，超宽带性能的功分器研究成为日益热门的研究方向。

针对功分器超宽带性能的研究，基于传统单节威尔金森功分器的设计结构，通过在功分器输出枝节增加开路短截线提高功分器的工作带宽，并通过调节传输线的电长度对输出端口进行宽带匹配，以实现小型化超宽带功分器的设计，比常见的多节形式的宽带功分器[3]体积减小30%以上。

1.1宽带功分器设计原理

功分器设计的结构形式有T型功分结构、电阻型功分结构、威尔金森功分结构及其他结构。T型功分结构形式简单，理论上为无损耗的三端口网络结构，无法做到3个端口同时完全匹配，不适用于现有功分网络系统。而电阻型功分结构，由于其电阻器件会造成一定的功率热量损耗，导致功分器插入损耗较大，且输出端口隔离度较差，不符合现有功分网络器件低损耗、小体积和集成化的设计要求。威尔金森功分器[4-6]作为目前较为常用的功分器设计形式，通过在输出两端口间引出隔离电阻，使威尔金森功分器变为一个有损耗的三端口网络器件，可实现3个端口的同时匹配，同时，在输出端口间可实现良好的端口隔离性能。威尔金森功分器具有结构简单、输出端口一致性好和输出端口隔离度较高等特点，是目前最为成熟的功分网络设计结构。

但常规的单节威尔金森功分器工作相对带宽约为20%，且在工作带外其性能急剧下降，不易实现宽带性能设计。为拓展威尔金森功分器的工作带宽，目前常采用多节功分器进行设计，利用多节结构，构建多个不连续传输节点，能够有效地减少或消除由各阻抗不连续点处产生的反射波，从而使各段传输线相互匹配，最终达到展宽频带的目的。文献[7]采用4节威尔金森功分器，实现了4～18 GHz的超宽带功分器设计，文献[8]采用多级威尔金森功分器的设计思路实现了超宽带功分器。利用增加威尔金森功分器级数的设计方式，虽然提高了功分器的工作带宽，但多级结构带来了设计复杂性与工艺的高精度要求。

针对功分器超宽带性能设计要求，利用宽带传输线匹配原理，构建基于单节威尔金森功分器结构形式的宽带功分器结构，宽带功分器的设计原理框图如图1所示。宽带功分器由一个功分结（Y型結），通过构建两部分长度分别为/4和2的传输线，在1/4波长主路传输线后，额外增加一段同主路传输线特征阻抗相同的传输线（特性阻抗为2），电长度为2。同时，引入一段特性阻抗为1，电长度为1的阶梯阻抗开路短截线进行功分器工作带宽拓展，通过调节阶梯阻抗开路短截线的电长度和特性阻抗，拓展了功分器工作带宽。同时利用一个隔离电阻实现了输出两端口的端口隔离。

当功率从端口1进入时，通过Y型分支结构将信号分为2路，分别进入2路/4的主传输线进行传输，经引入电长度为

1的阶梯阻抗开路短截线，对信号进行宽带工作频率下的阻抗匹配后，再通过电长度为2的微带线进行输出端口匹配，最后等幅同相从端口2和3输出，实现功率分配的功能。中间的隔离电阻，直接联通端口2和3，使得从端口2经由功分结到达端口3的信号比直接从端口2经电阻R到达端口3的信号多走半波长的距离，2类信号在端口3处形成180°的相位差，从而被抵消掉。同理，从端口3进入的信号到达端口2时也会被抵消，从而实现两输出端口间的信号隔离性设计要求。

1.2宽带功分器传输特性分析

对于对称的线性二端口网络来说，其激励也可分解为具备反对称性的奇模（odd）激励和具备对称性的偶模（even）激励，在通过2种模式下的特征参数线性叠加而获得线性二端口网路特性。对于奇模激励的对称二端口网络，两端口处添加的激励等幅反向，对称面电特性与理想电壁等效，整个网络可化简成两个在对称面短路的相同单端口网络；相反，偶模激励时，2端口处的激励等幅同向，对称面可视为理想磁壁，整个网络可化简成2个在对称面开路的相同单端口网络。

如图1所示，超宽带功分器采用对称结构进行设计，参考传统单节威尔金森功分器设计方法，可以利用奇—偶模法[9-10]进行分析，将功分器简化为奇模形式和偶模形式的两端口电路进行分析，功分器奇模等效电路如图2所示。将功分器的传输特性用级联的两端口网络的ABCD矩阵参数进行表示，继而推导出功分器的S参数，最终得到功分器的传输特性。

采用奇—偶模法分析方法，依据功分器工作带宽要求，采用相对介电常数r=2.94，厚度=0.239 mm的CLTE-XT基板进行功分器设计。利用电磁仿真软件HFSS对宽带功分器进行仿真设计，设计完成的功分器如图4所示，阶跃阻抗采用扇形结构进行匹配，比矩形结构体积更小，宽带匹配效果更佳。优化后的各结构参数如表1所示，整个功分器尺寸为9 mm×12 mm。

优化后的功分器仿真结果如图5所示。可以看出，在8～16 GHz工作频段内，输出端口一致性较好，插入损耗小于0.2 dB。各端口匹配良好，驻波小于1.32。输出端口间隔离度大于14 dB。

根据表1的宽带功分器仿真优化后结构参数进行电路板加工和测试结构件设计，实物如图6所示。隔离电阻采用0402封装电阻，阻值100Ω，测试盒尺寸按照HFSS仿真模型进行加工，功分器输出输入端口通过SMA连接器进行馈电与传输。测试盒与功分器电路板背面地层采用焊接形式进行连接。SMA连接器的焊针下侧需略高于电路板焊接焊盘上表面，距离控制在0.2 mm以内，避免在宽带工作频段内，连接器与基板焊接处间隙过大带来连接处的不连续性，影响功分器测试结果。

最终完成的宽带功分器利用矢量网络分析仪（Agilent N5244A）对其工作性能进行测试，在对功分器器件进行输出端口2的插入损耗和驻波测试时，矢量网络分析仪两端口分别接入端口1和端口2，对未使用的端口3通过接入50Ω负载进行匹配，同理，在测试输出端口3时，将端口2进行50Ω负载匹配，最终得到的测试结果如图7所示。该宽带功分器在8～16 GHz工作频段内，插入损耗小于1.2 dB，带内起伏小于0.5 dB，各端口驻波优于1.5，且输出端口隔离度大于14 dB。

基于单节威尔金森功分器设计结构，通过在输出枝节增加阶梯阻抗开路短截线结构来拓展功分器的工作带宽，并插入适宜电长度的主路微带线进行输出端口匹配，实现宽带功分器的设计结构构建。通过奇—偶模分析法与ABCD矩阵对该功分器进行了分析计算，得到功分器传输特性分析，最终设计完成的宽带功分器尺寸为9 mm×12 mm，在工作频率8～16 GHz频带内，插入损耗小于1.2 dB，各端口驻波优于1.5，输出端口间隔離度大于14 dB，满足工程使用要求。该宽带功分器结构简单、尺寸小、工艺实现难度低，可以广泛使用于各类宽带通信及雷达系统。网络提供有力支撑。

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