卓越性能：改进型Wilkinson功分器方案的设计与优化

发布时间：2013-10-14 20:31:54

来源：RF技术社区 (https://rf.eefocus.com)

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引言

在无线通信系统中，功分器是一种至关重要的微波无源器件，广泛应用于天线阵馈电系统、功率放大器和无线局域网等领域。目前，威尔金森（Wilkinson）形式的功分器被广泛采用，因为它具有设计简单、易于实现以及较高隔离度等优点。近年来，针对传统Wilkinson功分器的研究日益成熟，提出了多种改进方案，如在输出端口添加短路枝节实现宽带功分器、采用文芦状的多节阻抗变换器结构拓宽工作带宽、设计平面结构的双频功分器以及完善直接多路输出Wilkinson功分器的计算公式等。然而，随着工作频率的升高，实际制作的器件尺寸会缩小，同时隔离电阻的存在导致两个输出支路的电路布局受限，特别是在不等功率分配情况下，两个输出端口之间互耦严重，从而影响功分器的整体性能。为此，本文设计了一种改良型的Wilkinson功分器，适用于2.4~2.4835 GHz频段的无线局域网，进一步提升了其实用价值。借助ADS软件进行仿真设计，并进行了实物加工和测试。

分器设计

传统的Wilkinson功分器具有输入/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。为了实现等功分的3 dB设计，可参考文献［7］中详细介绍的基本原理和设计公式，如图1所示。然而，在高频情况下，传统的Wilkinson功分器电路尺寸缩小，电路布局受限，同时两个输出端口之间互耦严重，从而影响性能。

为了解决这些问题，本文引入了电长度为180°（λ/2）的微带传输线，改进了Wilkinson功分器的电路结构，大大提高了电路布局的灵活性。

仿真与实验结果

根据上述分析和计算，设计了一款适用于无线局域网的二等分功分器，中心频率f0=2.45 GHz，频率范围为2.4~2.4835 GHz，输入/输出端口阻抗Z0=50 Ω，隔离电阻R=100 Ω。选择F4B系列微波介质材料板，相对介电常数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，并使用Agilent N5230A矢量网络分析仪对加工的功分器进行了实际测量。

通过对2.4~2.4835 GHz无线局域网频带内的功分器进行实测，得到以下结果：输入端口（S11）匹配良好，反射损耗达到-20 dB；功率输出具有很小的起伏，S21的起伏仅为0.2 dB；在中心频率上，实际测量的S21值为-3.87 dB，与理论值-3.05 dB相近；而输出端口间的隔离度较高，S23达到了-25 dB，带内高频端的最佳隔离度超过30 dB。这些测试结果与之前的仿真结果相比具有较好的一致性。

然而，需要注意的是，实测结果略微向高频偏移，并且带内插损偏高。这可能是由于加工和测量误差所导致的。此外，带外高频端的性能下降可能是由于接头和匹配负载精度不高的原因。

结语

本文介绍了一种改进型的Wilkinson微带二等分功分器的设计方案，并给出了相关的研制成果。通过引入λ/2微带传输线，基于传统Wilkinson功分器的理论，成功提高了电路布局的灵活性，从而改善了功分器的性能。所设计的改进型Wilkinson功分器适用于2.4~2.4835 GHz频率范围的无线局域网应用，并且实测结果表明，在整个设计频带内，该功分器具有良好的匹配、功分和隔离性能，验证了该方案的可行性。