三种一分三功分器的设计和仿真，比较各自性能的优缺点

摘要：介绍了三种一分三路等功率分配器，分别是直接分成三路的一分三功分器、由三个一分二功分器级联组成的一分三功分器、由不等分和等分两个一分二功分器级联组成的一分三功分器，采用ＨＦＳＳ软件仿真并比较不同结构功分器的性能特点。

引言

在微波电路中，为了将功率按一定的比例分成两路或者多路，需要使用功率分配器［１］。功率分配器反过来使用就是功率合成器。所以通常功率分配／合成器简称为功分器。功分器被广泛地应用于微波及毫米波电路，在阵列天线的馈电网络中，功率分配器可以将一路信号分成多路信号；应用于微波固态放大器，可以将多个信号合成一个更大功率的输出信号。功分器是固态发射机的一个关键微波部件，功分器设计的好坏直接关系到固态发射机的效率、幅频特性等性能的好坏。

多路功分器的设计可以分为两类：第一类是通过一个结构将一路信号一次性地分成多路输出；第二类是将一路信号经过一系列的一分二结构逐次地分成多路输出。在第二类功分器中最基本的单元是一分二功分器，然后由基本单元级联形成Ｎ 路偶等分功分器，对于奇等分功分器，通常惯用的设计方法是将其中一路加负载匹配。但加负载后会引起某些指标的下降，故引起了对不同结构奇等分功分器的研究，通过三种一分三功分器的设计和仿真，比较各自性能的优缺点。

１　直接一分三的等功率分配器

通常来讲，通过一个结构将一路信号一次性地分成多路的功分器有较高的分配效率，信号经过的梯次少，插损较小。当功率分配的路数大于２时，微带形式的一分多路功率分配器可分为两类，分别是扇形和放射形，功分器拓扑结构如图１和图２所示。这种功率分配器各自有不同的应用侧重点，对扇形功率分配器来讲，电磁波在平面上传播，对于不同的输出端口，可以有不同的功率输出。

图１　扇形结构功率分配器

图２　放射形结构功率分配器

图３为采用扇形结构设计的一分三路功分器仿真模型，通道插损、通道之间隔离度的仿真结果分别如图４（ａ）、４（ｂ）所示。

图３　一分三路功分器仿真模型

扇形结构功分器仿真结果：驻波小于１．５，相位差小于２．５°，最大插损－５．１ｄＢ，最小隔离度为－１４．６ｄＢ。在理想情况下，直接一分三路功分器插损为－４．８１５ｄＢ，仿真结果接近理论值。因为端口２、４之间没有隔离电阻，端口２、４之间隔离度较差。

图４　功分器插损及通道间隔离度仿真结果

２　基本单元一分二功分器的设计

第二类功分器是将一路信号经过一系列的一分二结构逐次地分成多路输出，其最基本的单元是一分二功分器。为了保证各输出端口有很好的隔离度，一分二的功分器采用威尔金森（Ｗｉｌｋｉｎｓｏｎ）功分器［２］。

威尔金森功分器的对称性保证了信号的平衡度和隔离度，隔离电阻进一步提高了输出端口的隔离度，单节３ｄＢ威尔金森功分器即可实现倍频的带宽。改变两个输出分支线的特性阻抗，可以实现任意功分比的分配。

图５（ａ）为传输线结构任意功分比的功分器原理图。假设端口１无反射；端口２、端口３输出电压相等且同相；端口２、端口３输出功率比值为１／ｋ２，ｋ为任意指定值。

图５　功分器示意图

描述３ｄＢ威尔金森功分器的关键指标有三个：驻波系数、插损和隔离度。由对称关系可知，端口１、３间的插损等于端口１、２间的插损。设计功率分配器时要考虑：在工作频带内驻波系数尽可能的接近１，插损尽可能接近３ｄＢ，隔离度绝对值尽可能大；一分多的功分器还要考虑各端口间的相位一致性。

３　加负载匹配的一分三路功分器

一分Ｎ 路偶等分功分器可由多个威尔金森功分器电路级联而成，Ｎ 路威尔金森级联功分器原理图如图６所示［３］。

图６　Ｎ路威尔金森级联功分器

对于奇等分功分器，通常的设计方法是将其中一路加负载匹配。三个３ｄＢ 威尔金森功分器级联形成一分四路功分器，选择一分四功分器的其中一路加负载匹配设计一分三路功分器。仿真模型及端口设置如图７所示。

图７　功分器仿真模型

图８　功分器插损及通道间隔离度仿真结果

通道插损及通道之间隔离度仿真结果分别如图８（ａ）、８（ｂ）所示。该功分器仿真结果：驻波小于１．２５，相位差小于０．５°，最大插损－６．１ｄＢ，最小隔离度为－２３ｄＢ。在理想情况下一分四路功分器插损为－６ｄＢ，加负载匹配造成能量损失，仿真结果接近理论值。该功分器通道间隔离度较好。

４　由两个一分二功分器级联的一分三功分器

在平面微波集成电路中，直接分成多路的简单功率分配器不能满足各输出端口间高隔离度的要求；加负载匹配的功分器插损较大；第三种方法可以采用不等分一分二功分器与等分一分二功分器的级联来设计一分三等功率分配器。

从最简单的三等分功分器出发，可以先将输入Ｐ０按１∶２不等分，然后再将初次分配后功率为２Ｐ０／３的一支再二等分。继而推演得出五等分、七等分功分器的网络拓扑结构，图９为普遍奇等分功分器的拓扑结构［４］。

图１０为三等分功分器的结构，其中Ｚ０是输入和输出端口传输线之间分支线特性阻抗，Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３、Ｚ４为各段分支线的特性阻抗，Ｚ０１、Ｚ０２为两等分支路的特性阻抗，Ｒ１、Ｒ２为隔离电阻的阻值。

图９　奇等分功分器的拓扑结构

图１０　三等分功分器的结构

根据功分器的阻抗变换式（１），得到图１０中Ｚ１＝ １０２．９８Ω，Ｚ２＝ ５１．５Ω，Ｚ３＝ ５９．４６Ω，Ｚ４＝ ４２．０５ Ω，Ｚ０１ ＝Ｚ０２ ＝７０．７２ Ω，Ｒ１ ＝１０６．１Ω，Ｒ２＝１００Ω。由于输入按１∶２不等分，所以Ｋ ＝槡２。图１１为采用不等分一分二功分器与等分一分二功分器级联设计的一分三路功分器仿真模型，端口２分别与端口３，４的相位差可通过改变通道２的微带线长度来控制。

图１１　一分三路功分器仿真模型

通道插损、通道之间隔离度分别如图１２（ａ）、１２（ｂ）所示。该功分器仿真结果：端口驻波小于１．４５，相位差小于０．５°，最大插损－４．９ｄＢ，最小隔离度为－１７．４ｄＢ，插损仿真结果接近理论值。由仿真结果可见，采用不等分一分二功分器与等分一分二功分器级联设计的一分三路功分器的隔离度比扇形直接一分三功分器的隔离度性能好。

５　三种结构功分器仿真性能比较

各种功分器的驻波性能可以通过改善匹配提高性能，主要比较不同结构功分器的插损、隔离度和相位性能，表１列举了三种结构功分器的插损、隔离度、相位一致性性能的仿真结果。分析表１中数据后得到如下结论：

ａ）扇形直接一分三功分器尺寸小、插损小，但有一路隔离度较差，相对其它两种结构，各端口之间相位差稍大。

ｂ）由三个３ｄＢ威尔金森功分器级联设计的一分三路功分器，各端口之间隔离度高，相位一致性好，由于其中一路接负载匹配损耗一部分功率，故插损较大；如果功分器工作频率很高（超过Ｋ波段），接负载端容易影响其它端口幅相一致性，需调节匹配端口位置使影响最小。

ｃ）由不等分和等分的两个一分二功分器级联设计的一分三功分器插损小且功率分配一致性好，相位一致性好，隔离度性能处于另外两种功分器性能之间。

图１２　功分器插损及通道间隔离度仿真结果

表１　三种结构功分器性能比较

６　结束语

在总结一分三路等功率分配器的三种设计方法的基础上，分别建模采用ＨＦＳＳ软件仿真，并比较不同结构功分器的性能特点。三种功分器各有优势，扇形直接一分三功分器插损小，但隔离度较差；由三个３ｄＢ威尔金森功分器级联设计的一分三路功分器端口之间隔离度高，但插损大；由不等分和等分的两个一分二功分器级联设计的一分三功分器插损小，隔离度性能处于另外两种功分器性能之间，可根据使用场合尺寸、指标等要求来选择合适的功分器形式。