功分器的概念、相关进展及应用案例

作者 | 你的汪讥  仿真秀专栏作者

首发 | 仿真秀App

导读：如果把通讯规划协议比喻成交通红绿灯、信息数据交换比喻成公路上飞驰的汽车，那么射频作为传统硬件在这个交通系统中起着重要的铺路作用。微波无源器件作为通信系统的基石，直对着整个通信系统的各项性能指标有着重大影响。功分器可以将一路输入信号的功率以一定的比例分配到各个支路上，是射频微波系统中应用最为广泛的器件之一，对整个射频馈电网络有着至关重要的影响。

一、功分器概念

功分器的核心功能就是将一路输入信号的功率按照一定的比例分配到各个输出的支路中，并且需要输出端口之间有足够的隔离度，避免输出端口之间相互影响。自上世纪40年代功分器首次被发明以来，科研人员为了设计出性能更加优异的功分器做了一系列尝试，设计出了许多性能优异的功分器。常见的类型主要有 Wilkinson 功分器、Bagley多边形功分器和Gysel功分器等。在实际的射频微波通信系统中，Wilkinson 功分器由于优异的性能获得了极为广泛的应用，成为使用数量最多的微波无源器件之一，即使是现在后续大部分对功分器的改进研究均是针对传统 Wlikinson 功分器进行改进。

Wlikinson功分器起源：1960年E.J.Wilkinson首次发明了 Wilkinson 电阻性功分器，相比于T型结具有高隔离特性。

1968年S.B.COHN 首次提出了采用多级阶梯阻抗变换器拓展Wilkinson功分器带宽，通过偶奇模分析法，来对电路实现宽频带的原理进行了解释，同时给出了具体的设计方法和设计结果，后续的科研人员只需要查表，即可轻松设计出性能优秀的宽频带功分器。在四阶时

Wilkinson 功分器的带宽甚至可以超过 10:1，可以满足绝大多数通信系统的要求。

1977 年，NOBUO NAGAI 首次提出了平面结构的功分器，随着印刷电路技术的不断进步，技术上采用平面结构的传输线与隔离电阻取代了之前的笨重的同轴结构，易于加工和集成的特点使得PCB版型功分器得到了广泛应用。

二、功分器近几年相关进展

1、利用慢波结构的功分器

实现平面慢波结构传输线的方式主要是在微带、共面波导、基片集成波导形式的传输线上加载蛇形线、交指电容、螺旋电感、缺陷地结构、电磁带隙结构等，以增加传输线上的等效集总电容和电感，从而实现小型化。

例如在要实现一个 4:1 的 Wilkinson 功分器时需要阻抗为 158 欧姆的微带线，对于常规的加工工艺来说实现 100 欧姆以上的微带线都是极为困难，走线宽度非常细无法加工。2001年，Jong-Sik Lim等人利用传统的Wilkinson 功分器拓扑结构和缺陷地（DGS）结构设计从而增加微带线的特性阻抗的原理使得这种微带线与传统没有 DGS 的微带线相比在相同的导体宽度下有着更高的特性阻抗，进而突破加工工艺的物理限制。

一种DBG慢波结构的小型化功分器

2、使用集总参数元件或者开路枝节的功分器

此方法主要是将传统 Wilkinson 的功分器中部分传输线用集总参数电路代替或者在电路中加入集总参数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 互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺下设计出了一款小型化的功分器。在该设计中，首先利用传输线 T 型等效将传统 Wilkinson 功分器的四分之一波长阻抗变换器转换为集总参数电路，然后利用有源电感器作为电路中的集总参数电感。由于电路中没有分布参数传输线和螺旋电感，电路的面积大大的减小。该结构在中心工作频率 4.5GHz 处的回波损耗优于 30dB，插损优于 0.16dB，性能非常优异。

带有有源电感的小型化功分器

2021 年，M.L.Laurenzid 等人采用低温共烧陶瓷(LTCC)工艺设计了一种用于全球导航卫星系统的小型化双频功分器。与采用半导体化合物相比，LTCC也是一种极高介电常数低损耗的材料，不同的是无法在该衬底上做出晶体管结构，因此被用作小型化无源微波器件中。

一种采用 LTCC 工艺的小型化功分器

3、使用改进后的阻抗变换器

此种方法是将传统功分器中的阻抗变换器用改进后的结构代替来实现功分器的小型化或减少集总RLC元件带来的分布式参数效应。

2021 年，Nethini Weerathunge 等人利用阶梯阻抗线和短截线设计了一款用于 MMIC 的小型化功分器，并且用一个电容网络来提高输出端口之间的隔离度。经过测量，在5GHz~43GHz

的频带范围，该结构的回波损耗内优于 10dB，在 20.3GHz~43GHz 的频带范围输出端口间的隔离度优于 10dB。相较于传统的 Wilkinson 功分器，该结构的尺寸减小了约57%。

用于 MMIC 的小型化功分器

4、使用先进工艺实现小型化和提高性能

此种方法主要是利用各种先进的工艺，将功分器的阻抗变换器进行蜿蜒或者分成多层结构，取代集总RLC元器件，使得功分器布局更加紧凑，从而减少电路面积。

2019 年，J.Tayebpour 等学者设计了一款工作在 VHF 频段的大功率小型化 Wilkinson功分器。在该设计中，作者提出了一种结构紧凑的多层结构，该结构由两个地平面和三个信号层组成，用通孔连接，两个 Wilkinson 的分支在两个不同的层中实现，并且在底层进行组合。功分器四分之一波长阻抗变换器被设计成了蜿蜒的传输线，有效的减小了电路的尺寸。由于电路中没有无功集总元件，因此可以用于高功率场景。

一种多层结构的大功率小型化功分器

三、功分器的案例应用

案例一、不等分功分器应用

例如常用应用背景：无源天线阵列阵面综合时按特定阵子功率配比做馈电网络设计，即不等分功分器的应用。

1、假设有一个8阵子线阵做切比雪夫综合，主副瓣电平比20dB

按照当前的幅度比，不等分功率分配器实现8端口馈电策略：

可以看出该馈电网络是由任意功率配比的1分2功分器级联得到，这类不等分功分器的Wilkinson拓扑结构和相关公式推导如下（功率比为k^2，电压比为k)：

由于输出端口完全隔离 ，隔离电阻R的电势差为0：

（1）

由于端口间完全匹配，则R上无电势差，因此满足

求解（1）和（2）式

如果我们掌握了任意功率配比的1分2功分器设计方法，那么无源天线阵列在阵面综合时的馈电网络也可以轻松掌握。

案例二、两路功分器设计仿真

再例如综合一个工作于2.4-2.5GHz(覆盖wifi低频)的两路功分器，要求宽带内VSWR<1.3，功率配比1:2，隔离度 >20dB，端口阻抗为50欧姆，一般设计规则是利用电路拓扑得出理论数值、用ADS等路仿真软件验证理论、用CST HFSS等场仿真软件验证路的指标结果。达到合理一致性后打样出版。

1、利用之前的推导结果对该理论拓扑做初步计算

2、使用ADS建立PCB板上的路仿真模型，并查看主路驻波、支路插损、隔离度、支路相位差等相关指标。可以看出分路损耗端口2是5dB、端口3是2dB，两个支路幅度相差3dB对应功率相差一半和预期理论相符合。

3、将路仿真模型转换为实际物理模型的场仿真模型，再次查看对应指标结果的场路一致性。

以上文章通过理论推导、路仿真验证、场仿真验证实现，提出一个设计指标并一步步建模完成综合过程的完整仿真演示，祝您零基础迅速掌握射频无源器件的设计方法。

四、我的功分器设计仿真课程

功分器近几年的发展可以看出是朝着小型化、先进工艺、改进阻抗变换和集总RLC元器件的方向实现，功分器的理论设计核心是没有变化的。鉴于此，我的课程《基于ADS、CST和HFSS射频功分器与馈电网络实战仿真设计》视频课程，希望教会各位朋友按相应的指标需求综合出一个标准的适合工程应用符合工艺规范的功分器，后续的创新性改进工作由于课程时间没有展开。

本课程介绍了功分器的应用背景和相关案例，以实际角度出发，提出功分问题；此外，课程尽量避免电磁场相关冗杂公式，简明扼要地介绍了理论思想，并以路仿真验证理论、以场仿真验证抽象电路模型，一步步完成仿真建模过程；课程介绍了T型、威尔金森型、补偿带宽威尔金森型、级联超宽带型、任意功率配比不等分型、奇等分型、双频威尔金森型、双频耦合线型等常见功分器。每个类型都配备了一至两个设计案例，教会大家根据指标综合出对应功分器的方法；路仿真软件为ADS，场仿真软件为CST，并配有对应的相关仿真演示，零基础学会无源射频器件的基本仿真方法；课程的PDF课件、课堂仿真案例均上传在附件当中，方便大家学习交流。

审核编辑：汤梓红