微带不等分功分器设计与仿真（二）
四、详细设计步骤
设计原理：
传输线结构的功率分配器[如图1(a)所示，输入端口特性阻抗为Z0，两段分支微带线电长度为/4，特性阻抗特性阻抗为Z0，两段分支微带线电长度为/4，特性阻抗分别为Z02和Z03，终端分别接负载R2和R3。
首先做以下3条假设:
(1)Port1无反射
(2)Port2，3输出电压相等且同相;
(3)Port2，3输出功率比值为任意指定值1/k2。
根据上面3条可得：
由传输线理论有:
设R2=kZ0，则Z02，Z03，R3的计算公式为:
取k=1，即得到3dB Wilkinson功分器的各参数值为:R2=R3=Z0，Z02=Z03=2Z0，为了增加隔离度在Port2，3之间添加了一个电阻R=2Z0，其结构如图1(b)
所示。通过上述分析得到3dB Wilkinson功分器的所有元件的参数值，接着就可以进行设计了。
2、Wilkinson功分器的设计
本文使用Agilent公司的ADS软件进行功分器的设计、仿真和优化获得参数性能较好的尺寸结构，通过Protel软件画出PCB图并制作实验板用于测试，最后制作的功分器结构如图2所示。
图1、传输线结构的功分器
图2、功分器结构
(1）、Wilkinson功分器的指标参数：
描述3dB Wilkinson功分器的关键指标有3个
(1)Port1的回波损耗:
RL1=-20log|S11|
(2)Port1和Port2之间的耦合度:
CP12=-20log|S21|
(3)Port2和Port3之间的隔离度:
IL23=-20log|S23|
由对称关系可知，端口1，3间的耦合度等于端口1，2间的耦合度。在理想情况下，中心频率处的回波损耗和隔离度应该接近负无穷大，耦合度应该尽量接近3dB。本文设计的功分器工作在0.9~1.1GHz频段，中心频率1.0GHz，采用双面敷铜的FR-4介质板，相对介电常数r=4.3，厚度h=1.5mm，要求通带内各端口反射系数小于-20dB，端口2和端口3之间的隔离度小于-20dB，端口1和端口2之间的耦合度小于3.5dB。
(2)、Wilkinson功分器的仿真与优化
根据文献[3]中传输线特性阻抗计算方法，可以得到特性阻抗为Z0=50的传输线宽度W13mm，Z02=Z03=70.7的传输线宽度W21.52mm，1/4的70.7传输线长度L41.28mm。得到上面这些初始值后就可以开始进行下一步的软件仿真，在ADS的软件环境中选取各种需要的微带线工具，根据上面获得的数据设置好各个元件的初值。将1/4的传输线长度L和他的宽度W2设置为变量，将S11，S21，S23作为优化指标，然后不断进行迭代运算和优化，最后得到W2=1.8mm，L=42.35mm，仿真得到S11，S21，S23的值分别如图3中的实线所示。
图3、仿真图
（3）、测试结果
功分器各性能指标的测量采用Agilent公司的E5071B网络分析仪，测试时3个端口的其中之一接50匹配负载，S11，S21，S23的测试值与仿真值的比较如图3所示，从测试结果可见，中心频率有很小的偏移，S21产生一定误差，这是由于实验采用的双面敷铜介质板本身功率损fr-4耗较大且实际介电常数有偏差的原因。其余各指标均达到设计目标，且测试与仿真值整体上吻合较好。
