一種改進(jìn)型Wilkinson 功分器的設(shè)計(jì)方案

0 引言

功分器是無(wú)線通信系統(tǒng)中的一種非常重要的微波無(wú)源器件，在天線陣饋電系統(tǒng)、功率放大器和無(wú)線局域網(wǎng)中都有著廣泛的應(yīng)用。目前應(yīng)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(shè)計(jì)方法較簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，輸出端口可以實(shí)現(xiàn)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(tǒng)Wilkinson功分器的輸出端添加短路枝節(jié)的方法實(shí)現(xiàn)了寬帶功分器;文蘆狀的多節(jié)阻抗變換器Wilkinson 功分器結(jié)構(gòu)，顯著展寬了功分器的工作帶寬;一款平面結(jié)構(gòu)的新型雙頻功分器;直接多路輸出Wilkinson 功分器的計(jì)算公式，進(jìn)一步完善了該功分器的設(shè)計(jì)指導(dǎo)。然而，當(dāng)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(qiáng)烈互耦而惡化功分器的整體性能。設(shè)計(jì)了改良型的Wilkinson功分器，該功分器工作在無(wú)線局域網(wǎng)S頻段2.4~2.483 5 GHz頻率范圍內(nèi)，從而增加了其實(shí)用價(jià)值。利用ADS 軟件進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了實(shí)物加工和測(cè)試。

1 功分器設(shè)計(jì)

對(duì)于基本的Wilkinson功分器，其輸入/輸出端口特性阻抗為Z0,兩段分支微帶線的電長(zhǎng)度均為λg 4 .實(shí)現(xiàn)等功分3 dB設(shè)計(jì)的Wilkinson功分器，基本原理與設(shè)計(jì)公式在參考文獻(xiàn)[7]中已經(jīng)做了詳細(xì)介紹，其電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。然而傳統(tǒng)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(yán)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(cè)和兩輸出支路上引入電長(zhǎng)度180°( λ 2)微帶傳輸線，將圖1所示的功分器結(jié)構(gòu)改進(jìn)為圖2所示。

改進(jìn)型Wilkinson 電路結(jié)構(gòu)，通過(guò)引入λ 2 長(zhǎng)度的傳輸線后，大大提高了電路布局的靈活性。由傳輸線理論可知，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(zhǎng)度傳輸線的引入，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間的距離，從而減小了相互干擾。

2 仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述分析和計(jì)算，設(shè)計(jì)了一款用于無(wú)線局域網(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(duì)介電常數(shù)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(duì)加工的功分器進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量。圖4給出了各端口S 參數(shù)仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比。

由圖4 可知，在無(wú)線局域網(wǎng)頻帶2.4~2.483 5 GHz內(nèi)，實(shí)測(cè)結(jié)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(cè)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(nèi)高頻端最佳隔離超過(guò)30 dB.測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果具有較好的一致性，實(shí)測(cè)結(jié)果略微向高頻偏移，帶內(nèi)插損偏高，這可能由于加工和測(cè)量誤差造成;帶外高頻端性能惡化可能由于接頭和匹配負(fù)載精度不高的原因。

3 結(jié)語(yǔ)

本文介紹一種改進(jìn)型Wilkinson微帶二等分功分器的設(shè)計(jì)方案，并給出研制成果。基于傳統(tǒng)Wilkinson功分器理論，通過(guò)引入λ 2 微帶傳輸線，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(cè)結(jié)果表明該功分器在整個(gè)設(shè)計(jì)頻帶內(nèi)具有良好匹配、功分和隔離性能，驗(yàn)證了方案的可行性。