X波段高隔离度功分器设计

宁宇航 洪洋

电子科技大学物理学院 四川 成都 611731

引言

随着无线技术的发展，射频无源电路中的器件对整个系统产生影响，所以设计性能良好的电路器件是至关重要的[3]。针对微波射频电路，包括有源电路以及无源电路，有源电路针对的是微波信号，通过电路对微波信号进行调制，比如常见的有源电路，倍频器、混频器、放大器、检波器和变频器。无源电路包括有耦合器、滤波器和功分器。对于无源电路设计起来更为简单，实现的方式也多种多样，在射频电路中，满足传输线理论，选择适合的传输线类型进行相关电路的设计，满足电路要求即可，比如微带线、槽线和共面波导等[1]不同类别的传输线都可以完成功分器的设计。

采取微带线传输线的方式完成电路设计，微带线更加方便，对于低频段的电路器件损耗更小，制备情况更加良好。本文采用的是威尔金森功分器的设计方法，因为威尔金森功分器具有更加优秀的幅相特性和简洁的设计，在工程中应用广泛[2]。

本文利用HFSS全波仿真软件仿真设计的是一款一分四的威尔金森功分器，在Rogers 5880基板上加工实物，并进行测试，得到测试结果并与仿真结果进行比对。

1 基本原理

在微波集成电路中，最常见的功分器是三端口网络，一端口输入，两端口输出。威尔金森功分器是最常见的功分器，应用最为广泛，威尔金森共分器的每个输出端口具有宽频带和等相位的特性，当功分器的输出端口都匹配的时候，即输出端口的阻抗为特性阻抗。输入输出口间的四分之一波长的特性阻抗为，也就是。

图1所示为一分二的等分功分器示意图，其中需要一个阻抗值为的隔离电阻来保证输出端口的隔离度设计要求，其中输出端口的功率分配关系可以由以下公式得到[4]：

图1 威尔金森等分功分器微带传输线图

依此公式也可设计出所需要的端口功率比的功分器，但其在最终的使用时仍需对端口进行阻抗匹配，使得阻抗匹配至特性阻抗。

图2 威尔金森不等分功分器微带传输线图

功分器具有若干重要的指标：插损、回损、端口隔离度、端口输出相位差以及幅值差。这些指标是检测和衡量功分器性能的重要依据。

2 设计仿真优化

首先确定一分四用功分器的性能指标，确定频点为8.3GHz，且使其具有一定的工作带宽，利用有限元全波仿真软件HFSS 15.0版本进行电磁模型构建和仿真，利用微带线计算公式计算得到微带线的长度，包括70.7欧姆的四分之一波长线长度，通过设计优化得到四分之一波长微带线的曲折长度，留足隔离电阻的距离，类似于封装好的电阻0805型，0402电阻，越小的电阻对于功分器的性能影响越小，0805电阻对于功分器性能影响更大，类似于插损这类性能，会增加插损的值。经过数学计算得到具体的模型数据，对输入输出端口加载波端口，并加载空气盒子对模型进行仿真，在0～12GHz频段进行仿真，得到仿真的结果插损小于6dB左右，其中四个端口的输出相差小于1°，各端口间隔离度大于十几个dB等。

在一分二的威尔金森功分器的设计基础上，设计一分四的等功率分配功分器，在设计中加入隔墙增加输出口的隔离度，利用有限元全波仿真软件HFSS对功分器进行设计并进行仿真优化，得到电磁三维模型。

图3 一分四功分器HFSS模型图

设计的功分器有四个输出端口，对端口进行标号，设置其中的一些参数并对其中微带线进行了切角优化，防止微带尖端辐射电磁对性能造成影响。模型图中有3处利用HFSS的Lumped RLC功能设置了集总参数电阻，电阻阻值为100欧姆，是特性阻抗值的两倍，其中，HFSS软件中是利用该功能用于模拟实际的电阻的性能进行电磁与集总参数电路的联合仿真。并且输出端阻抗值为50Ω，可直接与SMA接头相连。

在HFSS中对模型添加空气盒子并对空气盒子的参数优化并进行仿真，防止电磁溢出，在HFSS中查看仿真数据，查看功分器的最主要的几个参数，包括插入损耗、输出端口相位差及隔离度：

图4 HFSS仿真结果

3 设计实现

对器件进行实物加工，电路基板采用Rogers 5880基板，厚度选取0.254mm，工艺电镀表面镀金1～2μm，腔体采用硬铝材质，表面氧化处理，以及用于装配的压块，继而相应地做了一套腔体用于装配电路，对器件进行版图绘制，利用Auto CAD工具对功分器的电路以及腔体图进行设计，腔体用于屏蔽外界电磁干扰，经HFSS本征模计算腔体谐振对电路无影响。焊接0805封装电阻在功分器电路上3处。焊接SMA接头，保证焊接少量焊锡，保证插损值足够小，对器件性能影响不大。

图5 一分四功分器版图

得到实物加工图如图6所示，利用酒精对电路板进行清洗，用显微镜观察电路以及导电胶之间的连接并用手术刀进行刮除，利用安捷伦矢量网络仪E3836测试功分器，其余端口接匹配负载。测试S21、S31、S41、S51各个输出端口与输入口的插损以及相位，测试S23、S34、S45等，输出口间的隔离度等，测试图如图7所示。

图6 一分四功分器实物及测试图

图7 测试结果图及测试环境

4 结束语

通过对理论知识的应用，利用全波仿真软件仿真设计了一分四用功分器，并做出实物进行相关的测试与仿真结果进行比对完成整体设计，最终可使隔离度大于20dB，满足设计要求。