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[摘 要]本文首先对宽带不等分功分器进行了理论分析，给出了一种用多段四分之一波长微带线匹配来设计宽带不等分功分器的方法。然后设计仿真了8～12GHz频带内功率比为1比2的单节和两节宽带功分器，并用砷化镓介质材料实际制作了单节1比2功分器。仿真和实测结果相吻合。
[关键词]宽带，不等分，Wilkinson功分器
中图分类号：TM 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）16-0131-02
1 引言
在微波设备中，功分器有着广泛的应用，例如在相控阵雷达中，将发射机功率分配到各个发射单元中[1]。通常采用的功分器是T形接头及其变形，有波导型、同轴线型、带状线及微带线型等[2]。对于中小功率，我们常常采用结构简单的微带线Wilkinson功分器。基于此，本文将探讨单节和多节宽带任意功率比的功分器，并设计了功率比为1比2的单节和两节功分器。
2 宽带不等分Wilkinson功分器理论分析
如图1所示宽带多节不等分Wilkinson功分器，分支口所需功率分配比为P3=k2 P2，为使正常工作时隔离电阻Rn上不流过电流，且上下两分支电压分布相同，则有Z2=k2 Z3，Za1=k2 Zb1，…，Zan=k2 Zbn。
我们将它分为两路偶模等效电路进行分析，分支口输入阻抗满足：Zina =k2 Zinb，且Zina与Zinb并联阻抗为Z0，则
Zina=Z0（1+k2） Zinb=Z0（1+k2）/k2
对于端口2和3，若我们取值：Z2=Z0 k和Z3=Z0/k
则单节不等分功分器分支线阻抗和隔离电阻为：
宽带多节不等分功分器各节特性阻抗可以通过偶模等效电路按照阻抗比为Zina/Z2，即（1+k2）/k的N节四分之一波长阶梯阻抗变换器进行设计。隔离电阻可按照奇模分析法求得2端口奇模电路电阻Ran，然后计算总电阻：Rn=Ran（1+1/k2）。
当N=2时，隔离电阻计算公式如下[1]：
然后按公式计算隔离电阻。
实际应用中，宽带不等分功分器2和3端口输出接特性阻抗的微带线，所以需要加入一段阻抗为和四分之一波长微带线进行阻抗匹配变换。
3 不等分Wilkinson功分器设计
考虑到工程实际需要，我们设计一个中心频点10GHz，功率分配比为1比2的单节和两节Wilkinson功率分配器。电路介质采用厚度为0.1mm，介电常数为12.9的GaAs，导体金层厚度5um。
3.1 单节1比2功分器设计
对于单节1比2功分器，考虑到GaAs工艺线制作精度以及实际使用压丝要求的线宽，我们取特性阻抗Za1和Zb1为1.54和0.77，对应的输出阻抗Z2和Z3为 0.79和0.395，阻抗匹配过渡段阻抗Za’和Zb’为0.89和0.63，隔离电阻R=2.12。利用ADS中的LineCalc工具将上述归一化值转换为微带线参数，在ADS软件中建模调谐各参数后利用HFSS分析计算。最后版图交付GaAs工艺线制作实物并在片测试S参数。
我们设计的8～12GHz单节1比2功分器理论仿真和实测的结果非常接近，吻合度很好。8～12GHz回波损耗S11和S33小于-10dB；回波损耗S22约为-20 dB，隔离度S23约为-15dB；S21比S31大3.2dB（0.2dB是考虑2端口还需连接等分功分器的差损，设计值为3.1 dB），即为两倍功率。
3.2 宽带两节1比2功分器设计
对于相对带宽0.4的两节1比2功分器，特性阻抗Za1、Zb1、Za2和Zb2分别为 1.22、1.74、0.61和0.87，Za’和Zb’为1.19和0.84，隔离电阻R1=16，R2=0.95。利用ADS中的LineCalc工具将上述归一化值转换为微带线参数。在ADS软件中建模调谐各参数后利用HFSS分析计算。
两节1比2功分器传输特性、驻波、隔离特性两种软件仿真结果吻合度很好。8GHz到12GHz频段内，公共口回波损耗S11小于-15dB，分支口回波损耗S22、S33小于-20dB，两分支口隔离度大于-20dB。
从上面仿真测试结果来看：单节1比2功分器8～12GHz传输特性平坦度波动约为0.4dB，而两节平坦度波动小于0.15dB；两节的隔离度和驻波也好于单节；有效的提高了带宽。
4 结论
本文对任意功率比的宽带多节Wilkinson功分器的原理及计算公式进行了理论分析。给出了单节和两节功率比为1比2的Wilkinson功分器的设计实例，运用ADS和HFSS软件进行了原理图调谐和建模仿真计算，可以看到多节功分器有效的增加了带宽，提高了分支口的隔离度。根据工程应用的需要，实际制作了GaAs介质材料的单节1比2功率比的Wilkinson功分器，并进行了实际测量，测量结果与理论仿真一致，满足使用要求。表明了不等分功分器设计方法的可靠性和可行性。
参考文献
[1] 清华大学《微带电路》编写组，微带电路[M].北京：人民邮电出版社，1979.
[2] 东南大学《微波技术》教材.
[3] Inder Bahl、Prakash Bhartia“Microwave Solid State Circuit Design”微波固态电路设计，电子工业出版社.
[关键词]宽带，不等分，Wilkinson功分器
中图分类号：TM 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）16-0131-02
1 引言
在微波设备中，功分器有着广泛的应用，例如在相控阵雷达中，将发射机功率分配到各个发射单元中[1]。通常采用的功分器是T形接头及其变形，有波导型、同轴线型、带状线及微带线型等[2]。对于中小功率，我们常常采用结构简单的微带线Wilkinson功分器。基于此，本文将探讨单节和多节宽带任意功率比的功分器，并设计了功率比为1比2的单节和两节功分器。
2 宽带不等分Wilkinson功分器理论分析
如图1所示宽带多节不等分Wilkinson功分器，分支口所需功率分配比为P3=k2 P2，为使正常工作时隔离电阻Rn上不流过电流，且上下两分支电压分布相同，则有Z2=k2 Z3，Za1=k2 Zb1，…，Zan=k2 Zbn。
我们将它分为两路偶模等效电路进行分析，分支口输入阻抗满足：Zina =k2 Zinb，且Zina与Zinb并联阻抗为Z0，则
Zina=Z0（1+k2） Zinb=Z0（1+k2）/k2
对于端口2和3，若我们取值：Z2=Z0 k和Z3=Z0/k
则单节不等分功分器分支线阻抗和隔离电阻为：
宽带多节不等分功分器各节特性阻抗可以通过偶模等效电路按照阻抗比为Zina/Z2，即（1+k2）/k的N节四分之一波长阶梯阻抗变换器进行设计。隔离电阻可按照奇模分析法求得2端口奇模电路电阻Ran，然后计算总电阻：Rn=Ran（1+1/k2）。
当N=2时，隔离电阻计算公式如下[1]：
然后按公式计算隔离电阻。
实际应用中，宽带不等分功分器2和3端口输出接特性阻抗的微带线，所以需要加入一段阻抗为和四分之一波长微带线进行阻抗匹配变换。
3 不等分Wilkinson功分器设计
考虑到工程实际需要，我们设计一个中心频点10GHz，功率分配比为1比2的单节和两节Wilkinson功率分配器。电路介质采用厚度为0.1mm，介电常数为12.9的GaAs，导体金层厚度5um。
3.1 单节1比2功分器设计
对于单节1比2功分器，考虑到GaAs工艺线制作精度以及实际使用压丝要求的线宽，我们取特性阻抗Za1和Zb1为1.54和0.77，对应的输出阻抗Z2和Z3为 0.79和0.395，阻抗匹配过渡段阻抗Za’和Zb’为0.89和0.63，隔离电阻R=2.12。利用ADS中的LineCalc工具将上述归一化值转换为微带线参数，在ADS软件中建模调谐各参数后利用HFSS分析计算。最后版图交付GaAs工艺线制作实物并在片测试S参数。
我们设计的8～12GHz单节1比2功分器理论仿真和实测的结果非常接近，吻合度很好。8～12GHz回波损耗S11和S33小于-10dB；回波损耗S22约为-20 dB，隔离度S23约为-15dB；S21比S31大3.2dB（0.2dB是考虑2端口还需连接等分功分器的差损，设计值为3.1 dB），即为两倍功率。
3.2 宽带两节1比2功分器设计
对于相对带宽0.4的两节1比2功分器，特性阻抗Za1、Zb1、Za2和Zb2分别为 1.22、1.74、0.61和0.87，Za’和Zb’为1.19和0.84，隔离电阻R1=16，R2=0.95。利用ADS中的LineCalc工具将上述归一化值转换为微带线参数。在ADS软件中建模调谐各参数后利用HFSS分析计算。
两节1比2功分器传输特性、驻波、隔离特性两种软件仿真结果吻合度很好。8GHz到12GHz频段内，公共口回波损耗S11小于-15dB，分支口回波损耗S22、S33小于-20dB，两分支口隔离度大于-20dB。
从上面仿真测试结果来看：单节1比2功分器8～12GHz传输特性平坦度波动约为0.4dB，而两节平坦度波动小于0.15dB；两节的隔离度和驻波也好于单节；有效的提高了带宽。
4 结论
本文对任意功率比的宽带多节Wilkinson功分器的原理及计算公式进行了理论分析。给出了单节和两节功率比为1比2的Wilkinson功分器的设计实例，运用ADS和HFSS软件进行了原理图调谐和建模仿真计算，可以看到多节功分器有效的增加了带宽，提高了分支口的隔离度。根据工程应用的需要，实际制作了GaAs介质材料的单节1比2功率比的Wilkinson功分器，并进行了实际测量，测量结果与理论仿真一致，满足使用要求。表明了不等分功分器设计方法的可靠性和可行性。
参考文献
[1] 清华大学《微带电路》编写组，微带电路[M].北京：人民邮电出版社，1979.
[2] 东南大学《微波技术》教材.
[3] Inder Bahl、Prakash Bhartia“Microwave Solid State Circuit Design”微波固态电路设计，电子工业出版社.