功分器的概念、相關(guān)進展及應(yīng)用案例

作者 | 你的汪譏 仿真秀專欄作者

首發(fā) |仿真秀App

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，那么射頻作為傳統(tǒng)硬件在這個交通系統(tǒng)中起著重要的鋪路作用。微波無源器件作為通信系統(tǒng)的基石，直對著整個通信系統(tǒng)的各項性能指標(biāo)有著重大影響。功分器可以將一路輸入信號的功率以一定的比例分配到各個支路上，是射頻微波系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的器件之一，對整個射頻饋電網(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的功率按照一定的比例分配到各個輸出的支路中，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，科研人員為了設(shè)計出性能更加優(yōu)異的功分器做了一系列嘗試，設(shè)計出了許多性能優(yōu)異的功分器。常見的類型主要有 Wilkinson 功分器、Bagley多邊形功分器和Gysel功分器等。在實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)量最多的微波無源器件之一，即使是現(xiàn)在后續(xù)大部分對功分器的改進研究均是針對傳統(tǒng) Wlikinson 功分器進行改進。

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階梯阻抗變換器拓展Wilkinson功分器帶寬，通過偶奇模分析法，來對電路實現(xiàn)寬頻帶的原理進行了解釋，同時給出了具體的設(shè)計方法和設(shè)計結(jié)果，后續(xù)的科研人員只需要查表，即可輕松設(shè)計出性能優(yōu)秀的寬頻帶功分器。在四階時

Wilkinson 功分器的帶寬甚至可以超過 10:1，可以滿足絕大多數(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)進展

1、利用慢波結(jié)構(gòu)的功分器

實現(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，從而實現(xiàn)小型化。

例如在要實現(xiàn)一個 4:1 的 Wilkinson 功分器時需要阻抗為 158 歐姆的微帶線，對于常規(guī)的加工工藝來說實現(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 互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝下設(shè)計出了一款小型化的功分器。在該設(shè)計中，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，不同的是無法在該襯底上做出晶體管結(jié)構(gòu)，因此被用作小型化無源微波器件中。

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后的結(jié)構(gòu)代替來實現(xiàn)功分器的小型化或減少集總RLC元件帶來的分布式參數(shù)效應(yīng)。

2021 年，Nethini Weerathunge 等人利用階梯阻抗線和短截線設(shè)計了一款用于 MMIC 的小型化功分器，并且用一個電容網(wǎng)絡(luò)來提高輸出端口之間的隔離度。經(jīng)過測量，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、使用先進工藝實現(xiàn)小型化和提高性能

此種方法主要是利用各種先進的工藝，將功分器的阻抗變換器進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)由兩個地平面和三個信號層組成，用通孔連接，兩個 Wilkinson 的分支在兩個不同的層中實現(xiàn)，并且在底層進行組合。功分器四分之一波長阻抗變換器被設(shè)計成了蜿蜒的傳輸線，有效的減小了電路的尺寸。由于電路中沒有無功集總元件，因此可以用于高功率場景。

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：無源天線陣列陣面綜合時按特定陣子功率配比做饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，即不等分功分器的應(yīng)用。

1、假設(shè)有一個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功分器級聯(lián)得到，這類不等分功分器的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的電勢差為0：

（1）

由于端口間完全匹配，則R上無電勢差，因此滿足

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)計方法，那么無源天線陣列在陣面綜合時的饋電網(wǎng)絡(luò)也可以輕松掌握。

案例二、兩路功分器設(shè)計仿真

再例如綜合一個工作于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等路仿真軟件驗證理論、用CST HFSS等場仿真軟件驗證路的指標(biāo)結(jié)果。達到合理一致性后打樣出版。

1、利用之前的推導(dǎo)結(jié)果對該理論拓?fù)渥龀醪接嬎?/p>

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)?？梢钥闯龇致窊p耗端口2是5dB、端口3是2dB，兩個支路幅度相差3dB對應(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)換為實際物理模型的場仿真模型，再次查看對應(yīng)指標(biāo)結(jié)果的場路一致性。

以上文章通過理論推導(dǎo)、路仿真驗證、場仿真驗證實現(xiàn)，提出一個設(shè)計指標(biāo)并一步步建模完成綜合過程的完整仿真演示，祝您零基礎(chǔ)迅速掌握射頻無源器件的設(shè)計方法。

四、我的功分器設(shè)計仿真課程

功分器近幾年的發(fā)展可以看出是朝著小型化、先進工藝、改進阻抗變換和集總RLC元器件的方向?qū)崿F(xiàn)，功分器的理論設(shè)計核心是沒有變化的。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)實戰(zhàn)仿真設(shè)計》視頻課程，希望教會各位朋友按相應(yīng)的指標(biāo)需求綜合出一個標(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)新性改進工作由于課程時間沒有展開。

本課程介紹了功分器的應(yīng)用背景和相關(guān)案例，以實際角度出發(fā)，提出功分問題；此外，課程盡量避免電磁場相關(guān)冗雜公式，簡明扼要地介紹了理論思想，并以路仿真驗證理論、以場仿真驗證抽象電路模型，一步步完成仿真建模過程；課程介紹了T型、威爾金森型、補償帶寬威爾金森型、級聯(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功分器。每個類型都配備了一至兩個設(shè)計案例，教會大家根據(jù)指標(biāo)綜合出對應(yīng)功分器的方法；路仿真軟件為ADS，場仿真軟件為CST，并配有對應(yīng)的相關(guān)仿真演示，零基礎(chǔ)學(xué)會無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