改進(jìn)型Wilkinson功分器的設計

0 引言

功分器是無(wú)線(xiàn)通信系統中的一種非常重要的微波無(wú)源器件，在天線(xiàn)陣饋電系統、功率放大器和無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)中都有著(zhù)廣泛的應用。目前應用最多的微波功率分配器 多為威爾金森（Wilkinson）形式的功分器，其優(yōu)點(diǎn)在于設計方法較簡(jiǎn)單、易于實(shí)現，輸出端口可以實(shí)現較高隔離。

近年來(lái)，功分器的研究已經(jīng)越來(lái)越成 熟，也越來(lái)越深入在傳統Wilkinson功分器的輸出端添加短路枝節的方法實(shí)現了寬帶功分器；文蘆狀的多節阻抗變換器Wilkinson 功分器結構，顯著(zhù)展寬了功分器的工作帶寬；一款平面結構的新型雙頻功分器；直接多路輸出Wilkinson 功分器的計算公式，進(jìn)一步完善了該功分器的設計指導。然而，當工作頻率升高以后，制作器件的實(shí)際尺寸將會(huì )縮小，由于隔離電阻的存在，使得兩個(gè)輸出支路的電 路布局存在限制，尤其在不等功率分配，兩個(gè)輸出端口存在強烈互耦而惡化功分器的整體性能。設計了改良型的Wilkinson功分器，該功分器工作在無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)S頻段2.4~2.483 5 GHz頻率范圍內，從而增加了其實(shí)用價(jià)值。利用ADS 軟件進(jìn)行了仿真設計，并進(jìn)行了實(shí)物加工和測試。

1 功分器設計

對于基本的Wilkinson功分器，其輸入/輸出端口特性阻抗為Z0，兩段分支微帶線(xiàn)的電長(cháng)度均為λg 4 。實(shí)現等功分3 dB設計的Wilkinson功分器，基本原理與設計公式在參考文獻［7］中已經(jīng)做了詳細介紹，其電路結構示意圖如圖1所示。然而傳統的 Wilkinson功分器在工作于頻率較高的情況下，電路尺寸將會(huì )縮小，電路布局受到限制，并且兩輸出端口互耦嚴重進(jìn)而影響其性能。

為了解決這些問(wèn)題，本文通過(guò)在隔離電阻兩側和兩輸出支路上引入電長(cháng)度180°（ λ 2）微帶傳輸線(xiàn)，將圖1所示的功分器結構改進(jìn)為圖2所示。

改進(jìn)型Wilkinson 電路結構，通過(guò)引入λ 2 長(cháng)度的傳輸線(xiàn)后，大大提高了電路布局的靈活性。由傳輸線(xiàn)理論可知，中心頻率處隔離電路部分的矩陣A 為：

由矩陣A 可知，兩輸出支路之間的隔離電路部分仍等效為一個(gè)串聯(lián)電阻，兩段λ/2長(cháng)度傳輸線(xiàn)的引入，不但沒(méi)有改變電路的性能，而且增加了兩輸出端口微帶線(xiàn)間的距離，從而減小了相互干擾。

2 仿真及實(shí)驗結果

根據上述分析和計算，設計了一款用于無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的二等分功分器。中心頻率為f0=2.45 GHz，頻率范圍為2.4~2.483 5 GHz，輸入/輸出端口阻抗Z0=50 Ω，隔離電阻R=100 Ω。選用F4B系列微波介質(zhì)材料板，相對介電常數為εr=2.65，損耗角正切tan δ=0.001，厚度h=2 mm.

利用ADS 仿真軟件進(jìn)行大量的仿真優(yōu)化，得到最佳的電路尺寸和最終的加工實(shí)物如圖3 所示。使用AgilentN5230A矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀對加工的功分器進(jìn)行了實(shí)際測量。圖4給出了各端口S 參數仿真和實(shí)測結果的對比。

由圖4 可知，在無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)頻帶2.4~2.483 5 GHz內，實(shí)測結果表明輸入端口（S11《-20 dB）匹配良好；功率輸出起伏很小，S21 起伏0.2 dB，中心頻率實(shí)測S21=-3.87 dB，接近理論值-3.05 dB；輸出端口間的隔離高（S23《-25 dB），帶內高頻端最佳隔離超過(guò)30 dB。測試結果與仿真結果具有較好的一致性，實(shí)測結果略微向高頻偏移，帶內插損偏高，這可能由于加工和測量誤差造成；帶外高頻端性能惡化可能由于接頭和匹 配負載精度不高的原因。

3 結語(yǔ)

本文介紹一種改進(jìn)型Wilkinson微帶二等分功分器的設計方案，并給出研制成果?；趥鹘y Wilkinson功分器理論，通過(guò)引入λ 2 微帶傳輸線(xiàn)，增加兩輸出端口間的距離從而提高電路布局的靈活性，進(jìn)而改善功分器的性能。制作一款用于WLAN 的2.4~2.483 5 GHz頻率范圍的改進(jìn)型Wilkinson功分器，實(shí)測結果表明該功分器在整個(gè)設計頻帶內具有良好匹配、功分和隔離性能，驗證了方案的可行性。