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传统wilkinson功分器设计与仿真汪学明(华东交通大学南昌330013)【摘要】随着通信技术的加速发展，传统的Wilkinson功分器已经无法满足多频及宽带的技术需求。基于ADS仿真设计软件，根据传统的功分器原理和结构，设计了一款谐振频率在4.9GHz附近的标准Wilkinson功分器。【关键词】Wilkinson功分器微带ADS1引言功分器主要用于功率分配，将一路输入信号分成两路或多路较小的输出功率信号，功分器在微波射频通信电路中有着广泛的应用。Wilkinson功分器是射频通信系统的关键组成部件之一，近年来随着通信技术的加速发展，传统的Wilkinson功分器已经无法再满足其要求，因为其无法满足多频及宽带的技术需求。本文设计了一款传统的工作频率在4.9Hz的Wilkinson功分器。众所周知，4.9GHz是未来5G网络中心频段，设计这款功分器也是为了能更好地迎合未来的技术需求。2功分器工作原理微带型功分器的电路结构如图1所示。图1功分器电路结构其中，输入端口特性阻抗为Z0；两段分支微带线电长度为λ/4，特性阻抗分别为Z02和Z03，终端分别接负载R2和R3。功分器各个端口特性如下：◆端口1无反射◆端口2和端口3输出电压相等且同相◆端口2和端口3输出功率比值为任意指定值1/K²故有：1Zin2+1Zin3=1Z0(1)𝐾2=𝑃3𝑃2,𝑃2=12∗𝑈22𝑅2,𝑃3=12∗𝑈32𝑅3(2)𝑈2=𝑈3(3)由四分之一波长传输线阻抗变换理论得：Zin2∗R2=Z02,2Zin3∗R3=Z032(4)设R2=KZ0，则Z02、Z03、R3为：𝑍02=𝑍0√𝐾(1+𝐾2)𝑍03=𝑍0√(1+𝐾2)𝐾3,𝑅3=𝑍0𝐾(5)为了增加隔离度，在端口2和端口3之间再增加一个电阻R，隔离电阻R的阻值为：𝑅=𝑍0(𝐾+1𝐾)(6)当k=1时，上面的结果化简为功率等分情况。另外，输出线是与阻抗R2=kZ0和R3=Z0/k匹配的，而不与阻抗Z0匹配。3功分器特性参数(1)输入端口回波损耗：输入端口1的回波损耗根据输入端口1的反射功率Pr和输入功率Pi之比来计算：C11=−10lg(𝑃𝑟𝑃𝑖)=−20lg｜S11｜(7)(2)插入损耗：输出端口的插入损耗根据输出端口的输出功率与输入端口1的输入功率Pi之比来计算：C12=−10lg(𝑃2𝑃𝑖)=−20lg｜S12｜(8)C13=−10lg(𝑃3𝑃𝑖)=−20lg｜S13｜(9)(3)输出端口间的隔离度：输出端口2和输出端口3间的隔离度根据输出端口2的输出功率P2与输出端口3的输出功率P3之比来计算：C23=−10lg(𝑃2𝑃3)=−20lg｜S12｜｜S13｜(10)(4)功分比：当其他端口无反射时，功分比根据输出端口3的输出功率P3和输出端口2的输出功率P2之比来计算：𝐾2=𝑃2𝑃3(11)4传统Wilkinson功分器本文首先针对传统的功分器结构，设计了一款谐振频率在4.9GHz附近的Wilkinson功分器，传统的集总参数元件已无法模拟，这里必须采用分布参数模型，即传输线模型。由于传输线模型是理想的，现实生活中必须用某种材料的微带电路才能实现，这里选用的微带基板的参数如下：◆H=0.8mm：微带线介质基片厚度为0.8mm◆Er=4.3：微带线介质基片的相对介电常数为4.3◆Mur=1：微带线介质基片的相对磁导率为1◆Cond=5.88E+7：微带线介质基片的电导率为5.88E+7◆Hu=1.0e+033mm：微带电路的封装高度为(1.0e+033)mm◆T=0.03mm：微带线金属片的厚度为0.03mm◆TanD=1e-4：微带线的损耗角正切为1e-4◆Rough=0mm：微带线的表面粗糙度为0mm然后利用ADS自带的linecalc小工具可以将传输线模型和实际微带电路彼此相互转换，在该软件中，只要输入传输线的特性阻抗、电长度、谐振频率以及微带介质基板的特性参数就可以很方便地得到实际微带线的宽度和长度，而且可以双向转换。最终的传统4.9GHzWilkinson功分器的微带电路原理图如图2所示。图24.9GHzWilkinson功分器原理图通过仿真最终得到的S参数结果如图3所示：图34.9HzWilkinson功分器仿真结果从图3可以看出，该功分器的谐振点在4.8GHz附近，S11（1端口回波损耗）为-32dB，-20dB以下带宽大约为1.5G；S21（插入损耗）为-3dB，此时功分器正好等分原先输入信号的能量；S22（2端口回波损耗）为-31dB；S23（隔离度）为-41dB。综上分析，该功分器是在以4.8GHz为中心频率，在1.5G的带宽内将输入端口的信号等分到2个输出端口上。通过layout生成版图如图4:参考文献［1］陈铖颖。《ADS射频电路设计与仿真》。北京，电子工业出版社，2011。［2］刘学观，郭辉萍。《微波技术与天线》。西安，西安电子科技大学出版社，2015。作者简介汪学明：射频工程师，学士，现就读于华东交通大学信息工程学院通信工程系，主要从事无线网络接入、设计、规划相关设计，研究方向为射频通信电路和移动终端天线设计。图4实际版图