射频宽带Wilkinson功分器的设计

    张红字　王永慧　楼平　吴湘莲

    

    

    

    摘要：文章设计了一款工作频率为1～3GHz的射频宽带Wilkinson功分器。该功分器采用3枝节阻抗变换器级连的方式来扩展带宽，利用ADS软件进行设计、仿真、优化，实现了在1～3GHz的频带内，$21（$31）近似为-3dB，輸入输出反射系数小于-18dB，隔离度小于-20dB。

    关键词：Wilkinson；功分器；ADS；反射系数；隔离度

    随着科技的进步，无线通信系统得到了更广泛的应用，这对射频电路也有了更高的性能要求，特别是现在超宽带通信系统的发展，人们对宽带射频器件性能要求也会越来越高。功分器是将送进来的射频信号功率分成两路或者多路的器件，还可以根据要求的输出端口的功率大小分为等分或者不等分功率的分配器。因此，该器件在射频领域中有着更为广泛的应用。

    1.Wilkinson功分器结构的基本原理

    二等分的Wilkinson功分器的基本结构如图1所示，从Port1右起，可以看成是将信号功率一分为二的分路器；如果从Port2，Port3往左看，则可以认为它是将两路的信号功率合成更大功率信号的合路器。功分器要求在需要的频率范围，其输出信号按照指定的功率分配。另外，R可以看成隔离电阻，以保证功分器的2，3端口之间较高的隔离度。功分器关于电阻是对称的，且微带线的特征阻抗为Z01=2Zn，长度为入/4，这就保证了两路信号经过的电长度相同，同时在输出端口也保证了相同的幅度和相位，这个时候的隔离电阻不会消耗信号能量。匹配使得各输入输出端口的反射系数尽可能的小。Wilkinson功分器不仅具有良好的幅度相位特性而且设计简便，是射频功率合成、天线阵列、混频器等微波电路设计中重要的组成部件。

    2.宽带Wilkinson功分器的仿真设计

    由于单节Wilkinson功分器的狭窄带宽限制了其在宽带系统中的应用，为了增加带宽，实现宽频化，须采用多枝节阻抗变换器级连的方式来扩展带宽。本文设计了一款工作频率为1-3GHz的宽带Wilkinson功分器，该频段覆盖了北斗、GPs定位系统、WiFi、蓝牙等常见的频段，非常适合广泛应用。宽带功分器高低频率之比为3，需要多枝节才能实现，但是枝节多了也会带来更大的尺寸和更高的损耗，所以枝节数也不能选择太多的，本设计用3枝节来实现。

    首先根据各项指标，如工作频带，输入输出反射系数，功分比，输出端口之间的隔离度等要求，利用ADS软件的DesignGuide菜单下的passive circuit工具初步综合出该功分器的原理图，包括微带各枝节的特征阻抗及隔离电阻的阻值等，再利用其优化的功能进行优化仿真设计，如图2所示。功分器的PCB板选择最为常见的FR4板材，其基本参数为板厚为0.508mm，介电常数为4.2，损耗矫正切为0.01，原理图的仿真结果如图3所示。

    从仿真结果可以看出，端口反射系数（因为对称，2端口的反射系数和3端口的一致，故只给出2端口）都在20dB以下、隔离系数的值也在：-20dB以下，传输损耗在-33dg之内，基本符合设计的要求。

    根据原理图优化好的结果，在ADS软件里生成版图，再通过手动布局，在相应装贴元器件和芯片的地方预留焊接的空间，同时尽量避免微带线之间的相互串扰，并在装贴元件处加port，以便在接下来的原理图一版图联合仿真中连接元器件。在版图的仿真过程中，通过手动调节优化，最终确定版图的布局，如图4N示。

    从图5N以看出，在工作频带内，端口反射系数都在-18dB以下、$32的值都在：-20dB以下，传输损耗$21在工作带宽内近似等于-3dB，且非常平坦，基本符合设计的要求。

    通过原理图和图5的仿真结果相对比，可以得到两者的仿真结果相近且曲线变化方式相似，这样也说明了原理图的仿真结果对版图的仿真具有非常大的指导意义。

    3.结语

    根据实际需求，利用ADS软件的强大功能，最终优化仿真得到了理想的工作带宽为1～3GHz的宽带Wilkinson功分器，验证了防真软件在射频电路设计中的可行性，为接下来电路板在实际的加工、测试与应用过程中起到了积极的指导作用。