一种改进型Wilkinson功分器的设计

朱大勇;傅世强

【摘 要】提出了改进型Wilkinson功率分配器的设计方案，通过引入λ/2微带传输线的办法，解决了传统Wilkinson功分器工作在较高频率时尺寸变小导致的电路布局的限制，以及两输出臂靠近相互干扰严重而性能下降的问题。应用ADS软件进行了电磁仿真设计，并制作了一款工作在无线局域网2.4～2.4835 GHz频率范围内的功率分配器样件，对样件进行了指标测试，测试结果与设计结果吻合较好，验证了方案的可行性。%A design scheme of the modified Wilkinson power divider is proposed. By the method that 1/2 λ microstrip trans-mission line was introduced,the circuit layout constraint caused by size shrink when traditional Wilkinson power divider was working at higher frequencies was overcome and the problem of performance reduction caused by serious mutual interference when two output branches closed to each other was solved. The ADS software was used to carry on the megnetic simulation de-sign. In order to verify the feasibility of the scheme,a power divider prototype working in the range of 2.4~2.483 5 GHz in WLAN was fabricated and measured. The measured results have a good agreement with the simulated ones.

【期刊名称】《现代电子技术》

【年(卷),期】2013(000)016

【总页数】3页(P131-132,136)

【关键词】威尔金森功分器;电磁仿真;无线局域网;微带传输线

【作 者】朱大勇;傅世强

【作者单位】大连海事大学 信息科学技术学院，辽宁 大连 116026;大连海事大学 信息科学技术学院，辽宁 大连 116026

【正文语种】中 文

【中图分类】TN626-34

功分器是无线通信系统中的一种非常重要的微波无源器件，在天线阵馈电系统、功率放大器和无线局域网中都有着广泛的应用。目前应用最多的微波功率分配器多为威尔金森（Wilkinson）形式的功分器，其优点在于设计方法较简单、易于实现，输出端口可以实现较高隔离[1]。近年来，功分器的研究已经越来越成熟，也越来越深入。文献[2]采用在传统Wilkinson功分器的输出端添加短路枝节的方法实现了宽带功分器；文献[3]采用葫芦状的多节阻抗变换器Wilkinson功分器结构，显著展宽了功分器的工作带宽；文献[4]提出了一款平面结构的新型双频功分器；文献[5]则给出了直接多路输出Wilkinson功分器的计算公式，进一步完善了该功分器的设计指导。然而，当工作频率升高以后，制作器件的实际尺寸将会缩小，由于隔离电阻的存在，使得两个输出支路的电路布局存在限制，尤其在不等功率分配，两个输出端口存在强烈互耦而恶化功分器的整体性能[6]。基于文献[6]的思路设计了改良型的Wilkinson功分器，该功分器工作在无线局域网S频段

2.4～2.483 5 GHz频率范围内，从而增加了其实用价值。利用ADS软件进行了仿真设计，并进行了实物加工和测试。

1 功分器设计

对于基本的Wilkinson功分器，其输入/输出端口特性阻抗为Z0，两段分支微带线的电长度均为λg4。实现等功分3 dB设计的Wilkinson功分器，基本原理与设计公式在参考文献[7]中已经做了详细介绍，其电路结构示意图如图1所示。然而传统的Wilkinson功分器在工作于频率较高的情况下，电路尺寸将会缩小，电路布局受到限制，并且两输出端口互耦严重进而影响其性能。为了解决这些问题，本文通过在隔离电阻两侧和两输出支路上引入电长度180°（λ 2）微带传输线，将图1所示的功分器结构改进为图2所示。

改进型Wilkinson电路结构，通过引入λ/2长度的传输线后，大大提高了电路布局的灵活性。由传输线理论可知，中心频率处隔离电路部分的矩阵A为：

由矩阵A可知，两输出支路之间的隔离电路部分仍等效为一个串联电阻，两段λ/2长度传输线的引入，不但没有改变电路的性能，而且增加了两输出端口微带线间的距离，从而减小了相互干扰。

图1 传统Wilkinson功分器结构示意图

图2 改进的Wilkinson功分器结构示意图

2 仿真及实验结果

根据上述分析和计算，设计了一款用于无线局域网的二等分功分器。中心频率为f0=2.45 GHz，频率范围为2.4～2.483 5 GHz，输入/输出端口阻抗 Z0=50 Ω，隔离电阻R=100 Ω。选用F4B系列微波介质材料板，相对介电常数为εr=2.65，损耗角正切 tan δ=0.001，厚度 h=2 mm。利用ADS仿真软件进行大量的仿真优化，得到最佳的电路尺寸和最终的加工实物如图3所示。使用Agilent N5230A矢量网络分析仪对加工的功分器进行了实际测量。图4给出了各端口S参数仿真和实测结果的对比。

由图4可知，在无线局域网频带2.4～2.483 5 GHz内，实测结果表明输入端口（S11＜-20 dB）匹配良好；功率输出起伏很小，S21起伏0.2 dB，中心频率实测S21=-3.87 dB，接近理论值-3.05 dB；输出端口间的隔离高（S23＜-25 dB），带内高频端最佳隔离超过30 dB。测试结果与仿真结果具有较好的一致性，实测结果略微向高频偏移，带内插损偏高，这可能由于加工和测量误差造成；带外高频端性能恶化可能由于接头和匹配负载精度不高的原因。

图3 功分器最佳电路尺寸及加工实物图

图4 S参数的仿真与实测结果对比图

3 结 语

本文介绍一种改进型Wilkinson微带二等分功分器，并给出研制成果。基于传统Wilkinson功分器理论，通过引入λ/2微带传输线，增加两输出端口间的距离从而提高电路布局的灵活性，进而改善功分器的性能。制作一款用于WLAN的2.4～2.483 5 GHz

频率范围的改进型Wilkinson功分器，实测结果表明该功分器在整个设计频带内具有良好匹配、功分和隔离性能。

参考文献

[1]程敏锋，刘学观.微带型Wilkinson功分器设与实现[J].现代电子技术，2006，29（20）：25⁃26.

[2]尹莉，彭浩，杨涛.多枝节宽带功分器的设计[J].电子元器件应用，2012，14（3）：22⁃24.

[3]杨峥峥.微带功分器的设计[J].舰船电子对抗，2012，35（4）：69⁃72.

[4]周银磊，吴国安.一种新型双频Wilkinson功分器的设[J].电讯技术，2012，52（8）：1368⁃1371.

[5]傅世强，周阳，房少军.一种微带结构的新型不等分功分器设计[J].现代电子技术，2013，36（4）：154⁃156.

[6]ANTSOS D，CRIST R，SUKAMTO L.A novel Wlkinson power divider with predictable performance at K and Ka⁃band[C]//Proceedings of 1994 IEEE MTT⁃S International Microwave Sym⁃posium Digest.San Diego，CA，USA：IEEE，1994：907⁃910.

[7]栾秀珍，房少军，金红，等.微波技术[M].北京：北京邮电大学出版社，2009.