劉文豹，劉宇，楊自強，陳濤

電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，四川成都611731

隨著現(xiàn)代電子和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，信息交流越發(fā)頻繁，各種各樣的電子電氣設(shè)備已經(jīng)大大影響到各個領(lǐng)域。無論哪個頻段工作的電子設(shè)備，都需要各種功能的元器件，既有如電容、電感、電阻、功分器等無源器件，以實現(xiàn)信號匹配、分配、濾波等;又有有源器件共同作用。微波系統(tǒng)同樣包含了各種無源、有源器件，它們的功能是對微波信號進行必要的處理和變換?，F(xiàn)代無源器件中，高性能、小體積的微帶線功分器的設(shè)計變得日益重要。功分器是將輸入信號分成相等或者不等的幾路功率輸出的一種多端口微波網(wǎng)絡(luò)。常見的功分器主要有3種:Ratrace型，Vranchline型和Wilkinson型。因威爾森(Wilkinson)型功分器具有沒有多的隔離端口、結(jié)構(gòu)簡單、易于微帶實現(xiàn)等優(yōu)點，在工程中應(yīng)用廣泛［1］。

在微波設(shè)計中，一系列的電磁仿真軟件的出現(xiàn)給設(shè)計帶來了很大的便利，縮短了設(shè)計周期。比如ADS、HFSS等。ADS是美國安捷倫公司所擁有的電子設(shè)計自動化軟件，功能十分強大，包括時域電路仿真，頻域電路仿真，三維電磁仿真等，仿真速度比較快［2］。HFSS軟件是Ansoft公司推出的，基于電磁場有限元法的三維電磁仿真軟件。有仿真精度高、可靠性強等優(yōu)點。但是HFSS仿真的時間比較長，因此將ADS與HFSS結(jié)合使用可先用ADS仿真快速得到優(yōu)化結(jié)果，然后將仿真結(jié)果輸入HFSS中進行二次仿真優(yōu)化，以提高仿真精度與設(shè)計效率。

1 Wilkinson功分器的理論基礎(chǔ)

簡單的二等分功分器屬于三端口網(wǎng)絡(luò)。由于普通的無耗互易三端口網(wǎng)絡(luò)不可能達到完全匹配，且輸出端口間無隔離。而工程上對信道之間的隔離要求很高，因此需采用混合型的功率分配器，即Wilkinson型功率分配器。Wilkinson的理論主要是在簡單功分器中引入了隔離電阻，從而實現(xiàn)信號鏈路的匹配和高度隔離。它的原理在于引入隔離電阻后，功分器變?yōu)橛泻牡娜丝诰W(wǎng)絡(luò)。從三端口網(wǎng)絡(luò)的基本性質(zhì)可知，有耗三端口網(wǎng)絡(luò)可以做到完全匹配且輸出端口之間具有隔離，從而改善了普通功分器的不足。同樣，該類型的功分器可以實現(xiàn)任意的功率分配比，且可方便地用微帶線或帶狀線來實現(xiàn)。圖1為一分二微帶Wilkinson功分器的結(jié)構(gòu)示意圖和等效電路。在二等分功分器網(wǎng)絡(luò)中，通過理論分析可知，當(dāng)Z02=Z03=R=2Z0時，可實現(xiàn)等功率二等分［3-9］。

圖1 Wilkinson功分器的結(jié)構(gòu)示意圖和等效電路

2 功分器的ADS和HFSS仿真優(yōu)化

2.1 設(shè)計目標(biāo)

本設(shè)計的設(shè)計目標(biāo)是基于Wilkinson型功分器結(jié)構(gòu)，利用HFSS和ADS仿真軟件設(shè)計一個Ku波段的一分四等功率分配器，具體設(shè)計指標(biāo)如下:

設(shè)計頻率范圍:16～18 GHz;輸入輸出駐波比:VSWR≤1.5;插入損耗:L≤7.5 dB;輸出端口隔離度:I≥15 dB。

2.2 功分器的ADS仿真與優(yōu)化

采用rogers5880介質(zhì)板，厚度為 0.254 mm，介電常數(shù)2.2。由功分器的理論分析可知，輸入輸出端口的特性阻抗為50 Ω，則四分之一波長的的微帶線特性阻抗為70.7 Ω。利用 ADS軟件的 Linecalc工具仿真計算出在設(shè)計頻段內(nèi)該微帶線的長度為3.2 mm，寬度為0.45 mm。使用ADS軟件建立電路模型，先創(chuàng)建一個二等分的Wilkinson型功率分配器，隔離電阻取100 Ω，然后在二等分功分器的2個輸出端口各加上一個二等分電路則形成一個一分四的功分器。ADS仿真電路圖如圖2(a)。對該電路進行仿真，仿真結(jié)果如圖2(b)。由仿真結(jié)果可知，在設(shè)計帶寬內(nèi)4個端口的傳輸插入損耗小于6.1 dB，回波損耗小于－20 dB，隔離度優(yōu)于 20 dB。各個指標(biāo)均滿足設(shè)計要求。

圖2 功分器的ADS仿真原理圖和仿真結(jié)果

2.3 功分器的HFSS仿真與優(yōu)化

為了進一步提高仿真精度，在HFSS中建立3D模型，功分器三維模型如圖3所示，并將ADS結(jié)構(gòu)中的各個參數(shù)輸入HFSS進行三維仿真。首次仿真后發(fā)現(xiàn)HFSS仿真結(jié)果與ADS仿真結(jié)果有一定的差異，中心頻率有所偏移，特別是輸入駐波完全不能滿足設(shè)計要求，需要對功分器結(jié)構(gòu)參數(shù)進再次優(yōu)化。將四分之一波長的長度L和寬度W設(shè)為變量，對整個電路進行優(yōu)化掃參，并對微帶線阻抗不連續(xù)處引入過渡轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，以此可以很好地改善各端口的駐波。最終的優(yōu)化結(jié)果如圖4。由圖可知仿真結(jié)果中回波損耗優(yōu)于－20 dB，傳輸損耗小于－6.5 dB，隔離度優(yōu)于23 dB，幅度不平衡度小于0.3 dB，各項指標(biāo)遠高于設(shè)計目標(biāo)。

圖3 功分器的HFSS模型

圖4 功分器的HFSS仿真結(jié)果

3 測試結(jié)果

使用腔體設(shè)計軟件Solidworks軟件按照HFSS仿真的腔體大小尺寸設(shè)計功分器的屏蔽腔體，腔體模型如圖5。通過三維模型圖可以很好地檢查各個接頭的位置和孔位。采用0.254 mm后的Rogers5880介質(zhì)板加工電路板，屏蔽腔體采用鋁材、電鍍工藝。加工后的實物如圖6。對該功分器進行測試，測試結(jié)果如下:在16～18 GHz的帶內(nèi)回波損耗優(yōu)于－16 dB，4個端口的傳輸損耗在6.6～7.1dB，幅度不平衡度為0.5，駐波優(yōu)于 1.3，隔離度優(yōu)于 17.5 dB。4 個端口的不平衡度指標(biāo)較差，主要是電路的不對稱性導(dǎo)致的。

圖5 屏蔽腔體的solidworks設(shè)計模型

圖6 功分器設(shè)計實物

4 結(jié)束語

本設(shè)計通過對ADS和HFSS兩個軟件的聯(lián)合使用，利用兩個軟件的各自優(yōu)點在短周期內(nèi)設(shè)計出一個工作在Ku波段的一分四Wilkinson功分器，通過加工實物并進行測試可得該功分器在在16～18 GHz的帶內(nèi)回波損耗優(yōu)于-16 dB，四個端口的傳輸損耗在6.6～7.1 dB，幅度不平衡度為0.5，駐波優(yōu)于1.3，隔離度優(yōu)于17.5 dB。各個指標(biāo)滿足設(shè)計要求，并與仿真結(jié)果相近。證明該設(shè)計方法是一個設(shè)計功分器的很好的方法，該方法可以大大縮短設(shè)計周期，可在短時間內(nèi)設(shè)計出高性能的功分器。

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