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一种带状线Wilkinson功分器的设计制作HU Yue;WU Zhilin;SHI Yu;LIU Lan;WEN Jie;LIU Lele【摘要】针对微波射频器件小型化的需求,文中采用ADS与HFSS联合仿真设计的方法,设计并制作了一种宽带小型化带状线一分二Wilkinson功分器.使用带状线结构取代传统的微带线结构,并引入“蛇形布线”和“翻折结构”,利用过孔进行垂直互连.采用PCB板叠压的形式实现带状线结构和隔离电阻的装配.此结构在很大程度上减小了功分器的物理尺寸,并拥有优良的电性能.测试结果表明,功分器在1 ～3 GHz的工作频带内,插入损耗＜0.7 dB,隔离度＞18 dB,驻波在1.4以下.【期刊名称】《电子科技》【年(卷),期】2018(031)012【总页数】5页(P52-56)【关键词】Wilkinson功分器;带状线;宽带;小型化;ADS;HFSS【作者】HU Yue;WU Zhilin;SHI Yu;LIU Lan;WEN Jie;LIU Lele【作者单位】;;;;;【正文语种】中文【中图分类】TN626在微波射频系统中，功分器将输入功率按一定的比例进行分配，同时也可逆向使用，用作功率合成器，是最常用的无源微波射频器件。
例如，在相控阵雷达中，功分器被用于将发射功率按照一定的比例分配给相应的T/R组件[1-2]；在测向系统中，功分器被用于将标校信号分配给对应的开关组件。
随着微波射频技术的不断发展，对系统和器件的小型化提出了更高的要求[3]。
微带结构的Wilkinson功分器结构简单，易于集成，但它的功分输出分支线为λ/4传输线，致使功分器在工作频率较低的时候尺寸较大。
同时，单节功分器无法适应宽带的需求[4]，其节数的增加也导致尺寸扩大，制约了小型化的发展。
有学者指出，有关 Wilkinson功分器的研究主要致力于降低整体电路区域大小[5]，可见减小功分器的尺寸对功分器的研究意义重大。
定义:功率分配器是一种将一路输入信号能量分成两路或多路信号能量输出的器件，也可反过来将多路信号能量合成一路输出，此时也可将称为合路器。
分类：功率分配器按照路数分为：2路、3路和4路及通过它们级联形成的多路功率分配器。
功率分配器按结构分为：微带功率分配器及腔体功率分配器。
根据能量的分配分为：等分功率分配器及不等分功率分配器根据电路形式可分为：微带线，带状线，同轴腔体分配器概述：常用的功率分配器都是等功率分配，从电路形式上来分，主要有微带线，带状线，同轴腔功率分配器，几者间的区别如下：（1）：同轴腔体功分器优点是承受功率大，插损小，缺点是输出端驻波比大，而且输出端口有很好的隔离，缺点是插损大，承受功率小。
（2）：微带线、带状线和同轴腔的实现形式也有所不同：同轴腔功分器是在要求设计的带宽下先对输入端进行匹配，到输出端进行分路；而微带功分器先进行分路，然后对输入端和输出端进行匹配。
分配原理：微带线、带状线的功分器设计原理是相同的，只是带状线的采用的是对称性空气填充或介质板填充，而微带线的主要采用的是非对称性部分介质填充和部分空气填充。
下面我们以一分二微带线功率分配的设计为例进行分图1：一分二功分器示意图在现有的通信系统中，终端负载均为50Ω，也就是说在分支处的阻抗并联后到阻抗结处应为50Ω。
如上图匹配网络，从输入端口看Ω==500Z Z in ，而Ω==50//21in in in Z Z Z ，且是等分的，所以1in Z =2in Z ，①处1in Z 、②处2in Z 的输入阻抗应为100Ω，这样由①、②处到输出终端50Ω需要通过阻抗变换来实现匹配。
功分器功率分析：我们知道，当从功率分配器的输入端加一功率，由于每一路间的信号是同幅同相的，而且理论上电路是完全匹配的，所以隔离电阻上无功率通过，也就是说不承受功率，所以功分器的功率容量主要根据插入损耗计算出在传输线上损耗的能量，从而计算出能够承受的最大功率即可。
功分器的用法功分器有哪些系列功分器是一种将一路输入信号能量分成两路或多路输出相等或不相等能量的器件，那么你对功分器的使用方法了解多少呢?以下是由店铺整理关于功分器的用法的内容，希望大家喜欢!功分器的用法功分器的技术指标包括频率范围、承受功率、主路到支路的分配损耗、输入输出间的插入损耗、支路端口间的隔离度、每个端口的电压驻波比等。
频率范围这是各种射频/微波电路的工作前提，功分器的设计结构与工作频率密切相关。
必须首先明确分配器的工作频率，才能进行下面的设计。
承受功率在大功分器/合成器中，电路元件所能承受的最大功率是核心指标，它决定了采用什么形式的传输线才能实现设计任务。
一般地，传输线承受功率由小到大的次序是微带线、带状线、同轴线、空气带状线、空气同轴线，要根据设计任务来选择用何种线。
分配损耗指的是信号功率经过理想功率分配后和原输入信号相比所减小的量。
此值是理论值，比如二功分3dB，三功分是4.8dB,四功分是6dB。
(因功分器输出端阻抗不同，应使用端口阻抗匹配的网络分析仪能够测得与理论值接近的分配损耗)插入损耗指的是信号功率通过实际功分器后输出的功率和原输入信号相比所减小的量再减去分配损耗的实际值，(也有的地方指的是信号功率通过实际功分器后输出的功率和原输入信号相比所减小的量)。
插入损耗的取值范围一般腔体是：0.1dB以下;微带的则根据二、三、四功分器不同而不同约为：0.4~0.2dB、0.5~0.3dB、0.7~0.4dB。
插损的计算方法：通过网络分析仪可以测出输入端A到输出端B、C、D的损耗，假设3功分是5.3dB,那么，插损=实际损耗-理论分配损耗=5.3dB-4.8dB=0.5dB.微带功分器的插损略大于腔体功分器,一般为0.5dB左右,腔体的一般为0.1dB左右。
由于插损不能使用网络分析仪直接测出，所以一般都以整个路径上的损耗来表示(即分配损耗+插损)：3.5dB/5.5dB/6.5dB等来表示二/三/四功分器的插损。
Wilkinson功率分配器设计报告一、设计指标要求工作频率0.9-1.1GHz；中心频率1GHz；通带内端口反射系数小于-10db；端口2和端口3之间的隔离度小于-10db；端口1和端口2的传输损耗小于3.1db。
二、功率分配器概述1.功率分配器定义功率分配器是一种将一路输入信号能量分成两路或多路信号能量输出的器件(也可反过来将多路信号能量合成一路输出，此时也可称为合路器)，可以等效为将输入功率分成相等或不相等的几路输出功率的一种多端口微波网络。
2.功率分配器分类及比较●功率分配器按路数分为：2 路、3 路和4 路及通过它们级联形成的多路功率分配器。
●功率分配器按结构分为：微带功率分配器及腔体功率分配器。
●根据能量的分配分为：等分功率分配器及不等分功率分配器。
●根据电路形式可分为：微带线、带状线、同轴腔功率分配器。
常用的功率分配器都是等功率分配，从电路形式上来分，主要有微带线、带状线、同轴腔功率分配器，几者间的区别如下：（1）同轴腔功分器优点是承受功率大，插损小，缺点是输出端驻波比大，而且输出端口间无任何隔离。
微带线、带状线功分器优点是价格便宜，输出端口间有很好的隔离，缺点是插损大，承受功率小。
（2）微带线、带状线和同轴腔的实现形式也有所不同：同轴腔功分器是在要求设计的带宽下先对输入端进行匹配，到输出端进行分路；而微带功分器先进行分路，然后对输入端和输出端进行匹配。
3.功率分配器基本原理根据设计要求，结合以上对各种类型功率分配器的比较，我选择Wilkinson功率分配器结构进行设计。
Wilkinson功率分配器是三端口网络，它的微带结构如图1 Wilkinson功率分配器微带结构所示。
其输入端口传输线特性阻抗为Z0，两段分支线的长度为λ/4，特性阻抗都是√2Z0，两个终端的负载阻抗为Z0。
图 1 Wilkinson功率分配器微带结构此三端口网络的散射参量为[S]=10j jj00j00]因为S11=S22=S33=0，所以理想情况下在中心频率它的3个端口完全匹配。
概述：功分器，其英文名称为Power divider，它是一种将一路输入信号能量分成两路或多路输出相等或不相等能量的器件，也可反过来将多路信号能量合成一路输出，此时也可称为合路器。
功分器的技术指标包括频率范围、承受功率、主路到支路的分配损耗、输入输出间的插入损耗、支路端口间的隔离度、每个端口的电压驻波比等。
功分器按输出通常分为一分二、一分三一分四、一分八、一分十六等。
一个功分器的输出端口之间应保证一定的隔离度。
原理：功分器是一类可以将一路的输入信号能量分成两路或者多路输出相等或不相等能量的器件，也可反过来，将多路信号能量合成一路输出，此时也可称为合路器。
主要用于天线阵列，混频器和平衡放大器的馈送网络，完成功率的分配，合成，检测，信号的取样，信号源的隔离，扫频反射系数测量等。
1.在移动通信中，由于多信道的共用，为避免不同信道间的射频耦合引起的互调干扰，并考虑经济、技术及架设场地的因素，发射应使用天线共用器。
2.合路器由空腔谐振器及环行器组成，空腔谐振器是一个高Q值的、低插损的带通滤波器。
环行器是一个正向损耗小（0.8dB）反向损耗大（20dB）三端口器件。
3.为增强合路器工作的稳定性，现在一般采用内匹配技术既腔体之间不用软电缆连接。
为减小体积，一般采用腔结构。
合路器主要技术指标:1. 插入损耗，4信道通常小于3.6dB， 8信道通常小于4.0dB；2. 信道间隔离度，通常要大于80dB；3. 输出与输入端口隔离度，通常要大于80dB；4. 频率漂移，通常经过一年老化不应超过3ppm;5. 输入驻波比，小于1.5dB合路器的测试:1. 插入损耗测试；2. 信道间隔离度测试；3. 输入驻波比测试；4. 以上测量网络分析仪的测试线要做校正。
合路器也分为同频合成器和异频段合路器两种。
对同频段信号的合路（合成），由于信道间隔很小（250KHz），无法采用谐振腔选频方式来合路，常见的是采用3dB电桥。
3dB电桥有两个输入口和两个输出口，两载频合路后，两个输出口均可作信号输出用，若只需要一个输出信号，则另一输出口需要负载吸收，此时的负载功率根据输入信号的功率来定，不能小于两个信号功率电平和的1/2，建议将两路信号分别接在不同走线方向的信号传输电缆上，这样可以避免采用过高成本的功放。
功分器现在有如下几种系列[11]：1、400MHz-500MHz 频率段二、三功分器，应用于常规无线电通讯、铁路通信以及450MHz 无线本地环路系统。
2、800MHz-2500MHz 频率段二、三、四微带系列功分器，应用于GSM ／CDMA/PHS/WLAN 室内覆盖工程。
3、800MHz-2500MHz 频率段二、三、四腔体系列功分器，应用于GSM ／CDMA/PHS/WLAN 室内覆盖工程。
4、1700MHz-2500MHz 频率段二、三、四腔体系列功分器，应用于PHS/WLAN 室内覆盖工程。
5、800MHz-1200MHz/1600MHz-2000MHz 频率段小体积设备内使用的微带二、三功分器。
这里介绍几种常见的功分器：一、威尔金森功分器我们将两分支线长度由原来的变为，这样使分支线长度变长，但作4λ43λ用效果与线相同。
在两分支线之间留出电阻尺寸大小的缝隙，做成如图1-14λ所示结构。
图1-1 威尔金森功分器二、变形威尔金森功分器将威尔金森功分器进行变形，做成如图1-2所示结构。
两圆弧长度由原来的变为，且将圆伸展开形成一个近似的半圆。
每个支路通过传输线与4λ43λ2λ隔离电阻相连，这样做虽然会减小电路的工作带宽，但使输出耦合问题得到了解决，而且可以用于不对称，功分比高的电路，隔离电阻的放置更加容易，且两支路间的距离足够大，在输出口可直接接芯片。
图1-2 变形威尔金森功分器三、混合环混合环又称为环形桥路，它也可作为一种功率分配器使用。
早期的混合环是由矩形波导及其4个E-T 分支构成的，由于体积庞大已被微带或带状线环形桥路所取代。
图1-3为制作在介质基片上的微带混合环的几何图形，环的平均周长为 ，环上有四个输出端口，四个端口的中心间距均为。
环路各段归一23g λ4g λ化特性导纳分别为a, b, c ，四个分支特性导纳均为。
这种形式的功率分配器0Y 具有较宽的带宽，低的驻波比和高的输出功率。
宽带Ｗｉｌｋｉｎｓｏｎ功分器的设计与仿真作者：张中雷张任来源：《中国教育技术装备》2009年第15期摘要介绍宽带功分器的设计方法，设计工作频带在1 GHz～3 GHz的微带线功分器，并使用Agilent公司的ADS软件进行仿真，得到理想的结果。
关键词微波器件；微带线；Wilkinson功分器；宽带中图分类号：TN626 文献标识码：A 文章编号：1671-489X（2009）15-0091-02Design and Simulation of Broadband Wilkinson Power Divider//Zhang Zhonglei, Zhang RenAbstract In this paper, the authors demonstrate the method of design a broadband power divider, and devise a microstrip power divider that works in a frequency range from 1 GHz to 3 GHz, moreover, utilize ADS of Agilent Technologies to simulate, obtain a series of ideal results.Key words microwave device；microstrip；Wilkinson power divider；broadband Author’s address No.722 Research Institution of CSIC, Wu han 4300791 前言在微波系统中，功分器是将输入功率分成等分或不等分的多路功率输出的一种多端口微波器件，将发射功率按一定的比例分配到各发射单元，因此功分器在微波系统中有着广泛的应用[1]。
它的性能好坏直接影响到整个系统能量的分配、合成效率。
第37卷第2期2017年6月
雷达与对抗
RADAR&ECM
Vol. 37 No. 2
Jun.2017一分十六宽带层压介质带状线功分器
江文，程海荣，陈晓鹏
(中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京211153)
摘要：介绍了威尔金森功分器的设计方法，研制了一种相对带宽为21 %的一分十六层压带 状线功分器。
仿真和测试结果表明，该功分器具有很好的低驻波、高幅相一致性和高隔离度等 电性能。
由于其特殊的层压结构，并通过印制板周围打金属过孔来防止电磁泄漏干扰，省略了 屏蔽盒，使功分器具有结构紧凑、质量轻和加工简单的优点，适用于特定的工程领域。
关键词：层压带状线功分器；宽带；高幅度一致性；高隔离度
中图分类号:TN626 文献标志码：A 文章编号：1009 -0401(2017)02-0034 -03
A one-to-sixteen port broadband laminated dielectric
stripline power divider
JIANG Wen, CHEN Hai-rong, CHEN Xiao-peng
(No. 724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153 )
Abstract：The design of the Wilkinson power divider is introduced, and one-to-sixteen port laminated stripline power divider is developed with the relative bandwidth of 21% . The simulation and test results show that the power divider has low VSWR, high consistency of the amplitude and phase, and high isolation. In order to prevent electromagnetic interference and leakage, the SIW metal via hole is used in the dielectric plate. Owing to the special laminated structure, the power divider features compact structure, light weight and simple machining, and it is applicable to the specific engineering field.
Keywords：laminated stripline power divider；broadband; high consistency of amplitude and phase; high isolation
〇引言
随着微波集成技术的发展，印刷阵列天线由于其 自身独特的优点已广泛应用于现代雷达及通信等领 域，其中高性能的多级馈电网络是实现大型印刷阵列 的关键技术之一。
典型的多级馈电网络由威尔金森功 分器及分支线耦合器等构成，其实现形式有微带线和 带状线。
通常，低功率情况下采用威尔金森微带线功分网 络，为了提高隔离度，在微带线的表面焊接隔离电阻。
[1]由于微带线的场是半开放的，辐射比较严重，为 了防止电磁泄漏，在工程应用中利用金属盒罩住微带功分器，从而导致功分器的整体尺寸变大，质量加大。
在高功率情况下则采用威尔金森金属带状线功分网 络[23]。
该结构加工难度大、安装要求高、加工成本高 以及质量大。
随着军事电子科技飞速发展，武器装备 的多功能与小型化，对系统的集成度提出了越来越高 的要求。
通过在雷达馈电电路部分采用层压带状线代 替传统的单层微带板电路可以有效提高雷达系统的集 成度、稳定性、可靠性。
本文设计了一种对于功率要求不是很高的层压介 质带状线功分器。
由于其特殊的层压式结构，该功分 器不需要金属盒，具有加工简单、成本低和质量轻等优 点。
利用SIW金属过孔或者金属包边能进一步防止
收稿日期:2017^)3名1;修回日期:2017-04名3
作者简介:江文（1987-)，男，工程师，硕士，研究方向:天线技术与微波器件;程海荣（1977-)，女，高级工程师，硕士，研究方向：波 导天线及微波器件;陈晓鹏（1989-)，男，工程师，硕士，研究方向:微带天线。
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江文等一分十六宽带层压介质带状线功分器电磁干扰和泄漏，可以广泛应用于特定的工程领域。
1理论分析
如图1所示H端口功率分配器，它是在T形结构
基础上发展起来的。
该功分器的结构简单紧凑，理论
上可以提供任意功分比，而且输出端口彼此隔离，隔离
度比较高。
图中R是隔离电阻，通常用铬合金或电阻
粉等材料制成的薄膜电阻。
当信号从端口 1输入时，
功率从端口2和端口3输出。
只要设计恰当，两输出
端口可按一定比例分配，并保持电压同相，此时电阻R
中没有电流，不吸收功率。
若端口 2或端口 3稍有失
配，则有功率反射回来，可被电阻R吸收，从而保证两
输出端有良好的隔离，并改善输入端的匹配。
等分与
不等分功分器的基本公式推导可以参考文献[4]。
Z0_2②Z0—4④Z O o u t
--------------------'
Z0_in ①
〇R ---►
---►Z0_3T Z0 5Z O o u t
^^—卜
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图1Wilkinson功分器结构示意图
2介质带状线功分器的设计
一分十六介质功分器的结构图如图2所示，介质 板尺寸为60 mm * 700 mm，介质板的介电常数为2.55,厚度为2.032 m r^中间层金属导带和上下两层 接地面的金属厚度均为0.035 mm，适当增加金属层的 厚度可以提高介质带状线的最大承受功率e所有馈电 端口均在同一侧，介质板上下层为接地面，中间为导 带，导带弯折是为了减小尺寸。
为了提高隔离度，每一 个功分器霱要焊接一个电阻，所以需要在导电带的上 层挖掉一块介质和一块接地面，挖掉的介质和接地面 的大小为4 mm* 3 mm，如图3所7K。
把尺寸为1mm *2 mm、阻值为100 的电阻焊接其中。
电阻焊完后，再把一块直径为6 mm的金属圆块焊接在接地面 上堵住挖掉的部分。
图2 —分十六功分器结构图
由于挖掉了一部分介质，该位置的导带阻抗值会 变大，增加导带宽度可以使其阻抗值基本保持不变。
通过仿真，导带宽度增加了 0.1 mm。
根据功分器的设 计公式，取％ =1.5 mm，对应阻抗为50 =0.7 mm，对应阻抗为71 f l; 1F3= 1. 6 mm，对应阻抗为
50
三层金属、两层介质的带状线是通过两个介质板 层压而成，两个介质板之间涂覆了一层很薄的粘合胶 水。
该胶水对介质板的综合介电常数有影响，最终可 能会使功分器的损耗偏大。
3测试结果
测试的驻波如图4所示，最大的驻波为1.27,在 宽的频带内驻波比较小，与仿真的最大驻波1.25比较 吻合。
1.4
人石f a
图4 驻波（仿真曲线--，测试曲线一)
测试的插入损耗曲线如图5所示9插入损耗为 13.4〜13.8 dB，带内起伏为0.2 dB，仿真的插入损耗 为12.8 dB，实测的损耗比仿真大0.8 dB。
损耗偏大 原因有两方面:一是介质板层压所采用的胶水损耗较 大，把胶水的介电常数和损耗代入仿真，损耗增加了 0.5 dB;二是功分器端口所用的SMA连接器具有一定 的损耗，损耗大约为0.2 dB。
测试端口相位如图6所示，16个端口相位最大差 值仅为3°，相位一致性比较好a隔离度曲线如图7所 示，隔离度小于-20 dB，隔离度比较好，如果不加隔离 电阻，隔离度只有-7 dBQ
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雷达与对抗2017年 第2期
4结束语
本文所设计的层压式介质带状线功分器，在21%
的相对工作带苋内，具有很好的低驻波、筒幅相一*致性
和高隔离度等电性能。
利用SIW金属过孔省去了金
属屏蔽盒，具有加工简单、价格低、质量轻等优点。
介
质板表面镀金或者铬，能防止氧化，特别适用于特殊工
程应用领域。
除了损耗偏大外，测试结果与仿真结果
比较吻合，证明了本文设计的有效性。
参考文献：
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的设计[J].现代电子技术，2013 (16):
131-132.
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[3]刘新琼，杨林，杨娟.S波段大型功分馈电网络
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[4] David M Pozar.微波工程[M].张肇仪，等译.北
京：电子工业出版社,2009.7.
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