改进型Wilkinson功分器的设计

　0 引言

　　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。近年来，功分器的研究已经越来越成熟，也越来越深入在传统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；文芦状的多节阻抗变换器Wilkinson 功分器结构，显着展宽了功分器的工作带宽；一款平面结构的新型双频功分器；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。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λg 4 。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.

　　图3 功分器最佳电路尺寸及加工实物图

　　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AgilentN5230A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。

　　图4 S参数的仿真与实测结果对比图

　　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。

　　3 结语

　　本文介绍一种改进型Wilkinson微带二等分功分器的设计方案，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，验证了方案的可行性。