蒙 飚

（柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545006）

0 引言

功分器全名叫功率分配器，是一種重要的微波器件[1]，可以將一路輸入信號(hào)能量，按不同的應(yīng)用場(chǎng)景分成兩路或多路輸出相等或不相等能量的器件[2][3]。功分器的性能指標(biāo)參數(shù)包括工作的頻率范圍、輸入和輸出駐波、插損、隔離度、相位平衡、幅度平衡等，這些性能的優(yōu)劣決定了功分器的優(yōu)劣[4][5]。一個(gè)好的功分器設(shè)計(jì)，能夠在性能和產(chǎn)品成本上找到一個(gè)完美結(jié)合點(diǎn)，這也是該款產(chǎn)品能否具備市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵所在。本文設(shè)計(jì)的是兩路等功分的寬帶功分器，設(shè)計(jì)該器件時(shí)選用的傳輸線為εr=2.17的帶線，隔離電阻為0603封裝的薄膜電阻，采用的是Wilkson形式，以標(biāo)準(zhǔn)帶線3GHz－18 GHz寬帶功分器的設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)了該器件各項(xiàng)主要指標(biāo)的升級(jí)。

1 寬帶功分器的設(shè)計(jì)目標(biāo)

本文設(shè)計(jì)的寬帶功分器采用Wilkson結(jié)構(gòu)，能夠兼容HEMT管和HBT管且符合如下主要技術(shù)指標(biāo)：

（1）工作的頻率范圍：3GHz－18 GHz；

（2）輸入、輸出駐波：≤1.6；

（3）插損：≤4 dB；

（4）隔離度：≥15 dB；

（5）相位平衡：≤6°；

（6）幅度平衡：≤0.6 dB。

2 寬帶功分器的設(shè)計(jì)思路和理論分析

采用Wilkson結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)此功分器主要包括兩方面的工作：一是根據(jù)指標(biāo)確定所需的節(jié)數(shù)和計(jì)算每一節(jié)的特性阻抗值；二是進(jìn)行隔離電阻的設(shè)計(jì)與優(yōu)化以提高功分器的隔離度，并兼顧調(diào)整功率器其他相關(guān)指標(biāo)。在整個(gè)設(shè)計(jì)工作中充分應(yīng)用微波辦公室和ADS軟件進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)。

2.1節(jié)數(shù)和特性阻抗值的確定

本設(shè)計(jì)要求的頻寬為f2/f1=6，輸入端的駐波比≤1.6，輸出端的隔離度≥15 dB，通過(guò)查相關(guān)文獻(xiàn)可知所需要的節(jié)數(shù)N≥3。該N可以選擇4或5或6等等，為了更好介紹設(shè)計(jì)方法，這里我們選取N=4進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)和分析，然后將功分器的S參數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)利用ADS應(yīng)用軟件進(jìn)行優(yōu)化仿真。其中，S21、S31是傳輸參數(shù)，利用微波電路EDA的ADS軟件內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)，兩個(gè)參數(shù)反映傳輸損耗；S11、S22、S33在微波電路EDA的ADS軟件內(nèi)分別是輸入輸出端口的反射系數(shù)，S23在微波電路EDA的ADS軟件內(nèi)反映了兩個(gè)輸出端口之間的隔離度。

兩功分器作為一個(gè)三端口器件，在電路分析時(shí)我們采用偶型及奇型電路分析法。對(duì)此4節(jié)阻抗變換器我們采用切比雪夫響應(yīng)來(lái)設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)偶型等效電路的計(jì)算分析可以得出4節(jié)的特性阻抗分別為：R1=56歐姆，R2=65歐姆，R3=77歐姆，R4=89歐姆。根據(jù)選用的帶線參數(shù)（εr=2.17,B=1.6mm,T=0.0127mm）和中心頻率，由帶線計(jì)算工具就可以很容易地計(jì)算出各1/4波長(zhǎng)變換器的長(zhǎng)度與寬度，同時(shí)計(jì)算出功分器兩邊特性阻抗為50歐姆的帶線引出線的寬度。下面的工作就是運(yùn)用微波辦公室對(duì)上面的理論計(jì)算值進(jìn)行優(yōu)化，仿真時(shí)我們以S參數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)1/4波長(zhǎng)變換器部分的長(zhǎng)度或?qū)挾冗M(jìn)行反復(fù)調(diào)整，從而得到最優(yōu)化的1/4波長(zhǎng)變換器的尺寸。另外，為了在滿足尺寸的要求下使得拐角處的反射盡量地小，我們將分支接頭作為一個(gè)器件單獨(dú)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。

需要指出的是，由于我們的設(shè)計(jì)頻率已經(jīng)到Ku波段，同時(shí)我們選用的隔離電阻為0603的薄膜電阻，所以當(dāng)兩帶線之間的距離以薄膜電阻的長(zhǎng)度0.6mm設(shè)計(jì)時(shí)，其耦合是不可忽略的，在建立電路模型時(shí)應(yīng)選用耦合線設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出的功分器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 寬帶功分器的初步結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)圖

2.2隔離電阻的設(shè)計(jì)

一般來(lái)講，隔離電阻是通過(guò)在3GHz-18 GHz工作頻段范圍內(nèi)令奇型電路與偶型電路的反射系數(shù)Γ在幾個(gè)頻率點(diǎn)上相等（即使得在這幾個(gè)頻率點(diǎn)上有無(wú)限大的隔離），然后使Γo和Γe都取很小的數(shù)值來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。但是，這個(gè)計(jì)算量是非常大的，我們可以借助微波辦公室的優(yōu)化功能建立如圖2所示的電路模型對(duì)隔離電阻進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。電阻的初始值可以通過(guò)查表得到，通過(guò)AWR具有的手動(dòng)調(diào)諧功能可以獲得滿足條件的隔離電阻值。最后，還應(yīng)對(duì)1/4波長(zhǎng)變換器的長(zhǎng)度進(jìn)行手動(dòng)微調(diào)，綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)得到最佳帶線尺寸，以達(dá)到更好的指標(biāo)要求。

圖2 隔離電阻電路圖

2.3寬帶功分器的總體設(shè)計(jì)

通過(guò)節(jié)數(shù)、特性阻抗值的確定和隔離電阻的設(shè)計(jì)，本文設(shè)計(jì)完成的功分器結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中隔離電阻的值分別為R1=50歐姆，R2=105歐姆，R3=250歐姆，R4=450歐姆，在實(shí)際電路調(diào)試時(shí)電阻還要做一些調(diào)整。我們?cè)O(shè)計(jì)出的50歐姆帶線的寬度為1.3mm，4節(jié)階梯變換帶線的寬度分別為0.6mm、0.85mm、1.05mm、1.2mm。帶線的具體尺寸可參見(jiàn)AutoCAD中的div2.dwg文件。

圖3 基于Wil kson結(jié)構(gòu)的寬帶功分器（含隔離電阻）結(jié)構(gòu)圖

3 寬帶功分器測(cè)試

本文設(shè)計(jì)的功分器，利用ADS軟件進(jìn)行仿真測(cè)試。創(chuàng)建ADS工程文件并生成功分器的原理圖，按設(shè)計(jì)圖對(duì)仿真軟件的相關(guān)電路參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，特別是對(duì)仿真電路的S參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，通過(guò)仿真軟件不斷優(yōu)化電路性能目標(biāo)以使得參數(shù)不斷優(yōu)化，最終獲得最優(yōu)S參數(shù)曲線。本文設(shè)計(jì)的功分器的S參數(shù)曲線如圖4和圖5所示，可以看出，按本文設(shè)計(jì)方案所設(shè)計(jì)的功分器是符合指標(biāo)要求的。

圖4 功分器S參數(shù)曲線圖（1）

圖5 功分器S參數(shù)曲線圖（2）

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要介紹的是標(biāo)準(zhǔn)帶線3GHz－18 GHz寬帶功分器的設(shè)計(jì)理論與軟件優(yōu)化方案，結(jié)構(gòu)采用的是Wilkson形式，從S參數(shù)的仿真圖形看，設(shè)計(jì)是符合指標(biāo)要求的。實(shí)踐表明，該功分器能夠極大提升性能參數(shù)，充分適應(yīng)眾多大功率放大器應(yīng)用場(chǎng)景的需要，可供同行參考。