作者 | 你的汪譏 仿真秀專(zhuān)欄作者

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導(dǎo)讀：如果把通訊規(guī)劃協(xié)議比喻成交通紅綠燈、信息數(shù)據(jù)交換比喻成公路上飛馳的汽車(chē)，那么射頻作為傳統(tǒng)硬件在這個(gè)交通系統(tǒng)中起著重要的鋪路作用。微波無(wú)源器件作為通信系統(tǒng)的基石，直對(duì)著整個(gè)通信系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)有著重大影響。功分器可以將一路輸入信號(hào)的功率以一定的比例分配到各個(gè)支路上，是射頻微波系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的器件之一，對(duì)整個(gè)射頻饋電網(wǎng)絡(luò)有著至關(guān)重要的影響。

一、功分器概念

功分器的核心功能就是將一路輸入信號(hào)的功率按照一定的比例分配到各個(gè)輸出的支路中，并且需要輸出端口之間有足夠的隔離度，避免輸出端口之間相互影響。自上世紀(jì)40年代功分器首次被發(fā)明以來(lái)，科研人員為了設(shè)計(jì)出性能更加優(yōu)異的功分器做了一系列嘗試，設(shè)計(jì)出了許多性能優(yōu)異的功分器。常見(jiàn)的類(lèi)型主要有 Wilkinson 功分器、Bagley多邊形功分器和Gysel功分器等。在實(shí)際的射頻微波通信系統(tǒng)中，Wilkinson 功分器由于優(yōu)異的性能獲得了極為廣泛的應(yīng)用，成為使用數(shù)量最多的微波無(wú)源器件之一，即使是現(xiàn)在后續(xù)大部分對(duì)功分器的改進(jìn)研究均是針對(duì)傳統(tǒng) Wlikinson 功分器進(jìn)行改進(jìn)。

Wlikinson功分器起源：1960年E.J.Wilkinson首次發(fā)明了 Wilkinson 電阻性功分器，相比于T型結(jié)具有高隔離特性。

1968年S.B.COHN 首次提出了采用多級(jí)階梯阻抗變換器拓展Wilkinson功分器帶寬，通過(guò)偶奇模分析法，來(lái)對(duì)電路實(shí)現(xiàn)寬頻帶的原理進(jìn)行了解釋?zhuān)瑫r(shí)給出了具體的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)結(jié)果，后續(xù)的科研人員只需要查表，即可輕松設(shè)計(jì)出性能優(yōu)秀的寬頻帶功分器。在四階時(shí)

Wilkinson 功分器的帶寬甚至可以超過(guò) 10:1，可以滿(mǎn)足絕大多數(shù)通信系統(tǒng)的要求。

1977 年，NOBUO NAGAI 首次提出了平面結(jié)構(gòu)的功分器，隨著印刷電路技術(shù)的不斷進(jìn)步，技術(shù)上采用平面結(jié)構(gòu)的傳輸線與隔離電阻取代了之前的笨重的同軸結(jié)構(gòu)，易于加工和集成的特點(diǎn)使得PCB版型功分器得到了廣泛應(yīng)用。

二、功分器近幾年相關(guān)進(jìn)展

1、利用慢波結(jié)構(gòu)的功分器

實(shí)現(xiàn)平面慢波結(jié)構(gòu)傳輸線的方式主要是在微帶、共面波導(dǎo)、基片集成波導(dǎo)形式的傳輸線上加載蛇形線、交指電容、螺旋電感、缺陷地結(jié)構(gòu)、電磁帶隙結(jié)構(gòu)等，以增加傳輸線上的等效集總電容和電感，從而實(shí)現(xiàn)小型化。

例如在要實(shí)現(xiàn)一個(gè) 4:1 的 Wilkinson 功分器時(shí)需要阻抗為 158 歐姆的微帶線，對(duì)于常規(guī)的加工工藝來(lái)說(shuō)實(shí)現(xiàn) 100 歐姆以上的微帶線都是極為困難，走線寬度非常細(xì)無(wú)法加工。2001年，Jong-Sik Lim等人利用傳統(tǒng)的Wilkinson 功分器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和缺陷地（DGS）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從而增加微帶線的特性阻抗的原理使得這種微帶線與傳統(tǒng)沒(méi)有 DGS 的微帶線相比在相同的導(dǎo)體寬度下有著更高的特性阻抗，進(jìn)而突破加工工藝的物理限制。

一種DBG慢波結(jié)構(gòu)的小型化功分器

2、使用集總參數(shù)元件或者開(kāi)路枝節(jié)的功分器

此方法主要是將傳統(tǒng) Wilkinson 的功分器中部分傳輸線用集總參數(shù)電路代替或者在電路中加入集總參數(shù)元件使得功分器小型化之后仍然可以得到理想的性能。

2005 年，Liang-Hung Lu 等人在 0.18um 互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝下設(shè)計(jì)出了一款小型化的功分器。在該設(shè)計(jì)中，首先利用傳輸線 T 型等效將傳統(tǒng) Wilkinson 功分器的四分之一波長(zhǎng)阻抗變換器轉(zhuǎn)換為集總參數(shù)電路，然后利用有源電感器作為電路中的集總參數(shù)電感。由于電路中沒(méi)有分布參數(shù)傳輸線和螺旋電感，電路的面積大大的減小。該結(jié)構(gòu)在中心工作頻率 4.5GHz 處的回波損耗優(yōu)于 30dB，插損優(yōu)于 0.16dB，性能非常優(yōu)異。

帶有有源電感的小型化功分器

2021 年，M.L.Laurenzid 等人采用低溫共燒陶瓷(LTCC)工藝設(shè)計(jì)了一種用于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的小型化雙頻功分器。與采用半導(dǎo)體化合物相比，LTCC也是一種極高介電常數(shù)低損耗的材料，不同的是無(wú)法在該襯底上做出晶體管結(jié)構(gòu)，因此被用作小型化無(wú)源微波器件中。

一種采用 LTCC 工藝的小型化功分器

3、使用改進(jìn)后的阻抗變換器

此種方法是將傳統(tǒng)功分器中的阻抗變換器用改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)代替來(lái)實(shí)現(xiàn)功分器的小型化或減少集總RLC元件帶來(lái)的分布式參數(shù)效應(yīng)。

2021 年，Nethini Weerathunge 等人利用階梯阻抗線和短截線設(shè)計(jì)了一款用于 MMIC 的小型化功分器，并且用一個(gè)電容網(wǎng)絡(luò)來(lái)提高輸出端口之間的隔離度。經(jīng)過(guò)測(cè)量，在5GHz~43GHz

的頻帶范圍，該結(jié)構(gòu)的回波損耗內(nèi)優(yōu)于 10dB，在 20.3GHz~43GHz 的頻帶范圍輸出端口間的隔離度優(yōu)于 10dB。相較于傳統(tǒng)的 Wilkinson 功分器，該結(jié)構(gòu)的尺寸減小了約57%。

用于 MMIC 的小型化功分器

4、使用先進(jìn)工藝實(shí)現(xiàn)小型化和提高性能

此種方法主要是利用各種先進(jìn)的工藝，將功分器的阻抗變換器進(jìn)行蜿蜒或者分成多層結(jié)構(gòu)，取代集總RLC元器件，使得功分器布局更加緊湊，從而減少電路面積。

2019 年，J.Tayebpour 等學(xué)者設(shè)計(jì)了一款工作在 VHF 頻段的大功率小型化 Wilkinson功分器。在該設(shè)計(jì)中，作者提出了一種結(jié)構(gòu)緊湊的多層結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由兩個(gè)地平面和三個(gè)信號(hào)層組成，用通孔連接，兩個(gè) Wilkinson 的分支在兩個(gè)不同的層中實(shí)現(xiàn)，并且在底層進(jìn)行組合。功分器四分之一波長(zhǎng)阻抗變換器被設(shè)計(jì)成了蜿蜒的傳輸線，有效的減小了電路的尺寸。由于電路中沒(méi)有無(wú)功集總元件，因此可以用于高功率場(chǎng)景。

一種多層結(jié)構(gòu)的大功率小型化功分器

三、功分器的案例應(yīng)用

案例一、不等分功分器應(yīng)用

例如常用應(yīng)用背景：無(wú)源天線陣列陣面綜合時(shí)按特定陣子功率配比做饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，即不等分功分器的應(yīng)用。

1、假設(shè)有一個(gè)8陣子線陣做切比雪夫綜合，主副瓣電平比20dB

按照當(dāng)前的幅度比，不等分功率分配器實(shí)現(xiàn)8端口饋電策略：

可以看出該饋電網(wǎng)絡(luò)是由任意功率配比的1分2功分器級(jí)聯(lián)得到，這類(lèi)不等分功分器的Wilkinson拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和相關(guān)公式推導(dǎo)如下（功率比為k^2，電壓比為k)：

由于輸出端口完全隔離 ，隔離電阻R的電勢(shì)差為0：

（1）

由于端口間完全匹配，則R上無(wú)電勢(shì)差，因此滿(mǎn)足

求解（1）和（2）式

如果我們掌握了任意功率配比的1分2功分器設(shè)計(jì)方法，那么無(wú)源天線陣列在陣面綜合時(shí)的饋電網(wǎng)絡(luò)也可以輕松掌握。

案例二、兩路功分器設(shè)計(jì)仿真

再例如綜合一個(gè)工作于2.4-2.5GHz(覆蓋wifi低頻)的兩路功分器，要求寬帶內(nèi)VSWR<1.3，功率配比1:2，隔離度 >20dB，端口阻抗為50歐姆，一般設(shè)計(jì)規(guī)則是利用電路拓?fù)涞贸隼碚摂?shù)值、用ADS等路仿真軟件驗(yàn)證理論、用CST HFSS等場(chǎng)仿真軟件驗(yàn)證路的指標(biāo)結(jié)果。達(dá)到合理一致性后打樣出版。

1、利用之前的推導(dǎo)結(jié)果對(duì)該理論拓?fù)渥龀醪接?jì)算

2、使用ADS建立PCB板上的路仿真模型，并查看主路駐波、支路插損、隔離度、支路相位差等相關(guān)指標(biāo)。可以看出分路損耗端口2是5dB、端口3是2dB，兩個(gè)支路幅度相差3dB對(duì)應(yīng)功率相差一半和預(yù)期理論相符合。

3、將路仿真模型轉(zhuǎn)換為實(shí)際物理模型的場(chǎng)仿真模型，再次查看對(duì)應(yīng)指標(biāo)結(jié)果的場(chǎng)路一致性。

以上文章通過(guò)理論推導(dǎo)、路仿真驗(yàn)證、場(chǎng)仿真驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)，提出一個(gè)設(shè)計(jì)指標(biāo)并一步步建模完成綜合過(guò)程的完整仿真演示，祝您零基礎(chǔ)迅速掌握射頻無(wú)源器件的設(shè)計(jì)方法。

四、我的功分器設(shè)計(jì)仿真課程

功分器近幾年的發(fā)展可以看出是朝著小型化、先進(jìn)工藝、改進(jìn)阻抗變換和集總RLC元器件的方向?qū)崿F(xiàn)，功分器的理論設(shè)計(jì)核心是沒(méi)有變化的。鑒于此，我的課程《基于ADS、CST和HFSS射頻功分器與饋電網(wǎng)絡(luò)實(shí)戰(zhàn)仿真設(shè)計(jì)》視頻課程，希望教會(huì)各位朋友按相應(yīng)的指標(biāo)需求綜合出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的適合工程應(yīng)用符合工藝規(guī)范的功分器，后續(xù)的創(chuàng)新性改進(jìn)工作由于課程時(shí)間沒(méi)有展開(kāi)。

本課程介紹了功分器的應(yīng)用背景和相關(guān)案例，以實(shí)際角度出發(fā)，提出功分問(wèn)題；此外，課程盡量避免電磁場(chǎng)相關(guān)冗雜公式，簡(jiǎn)明扼要地介紹了理論思想，并以路仿真驗(yàn)證理論、以場(chǎng)仿真驗(yàn)證抽象電路模型，一步步完成仿真建模過(guò)程；課程介紹了T型、威爾金森型、補(bǔ)償帶寬威爾金森型、級(jí)聯(lián)超寬帶型、任意功率配比不等分型、奇等分型、雙頻威爾金森型、雙頻耦合線型等常見(jiàn)功分器。每個(gè)類(lèi)型都配備了一至兩個(gè)設(shè)計(jì)案例，教會(huì)大家根據(jù)指標(biāo)綜合出對(duì)應(yīng)功分器的方法；路仿真軟件為ADS，場(chǎng)仿真軟件為CST，并配有對(duì)應(yīng)的相關(guān)仿真演示，零基礎(chǔ)學(xué)會(huì)無(wú)源射頻器件的基本仿真方法；課程的PDF課件、課堂仿真案例均上傳在附件當(dāng)中，方便大家學(xué)習(xí)交流。

審核編輯：湯梓紅