随着科技的进步，无线通信和雷达系统得到了更广泛的应用，对射频电路要求也越来越高。特别是现在超宽带通信等的超宽带系统的发展，对超宽带射频器件的要求越来越高^{[1, 2, 3, 4, 5]}。在射频微波电路中，功分器是将信号的功率分成两路或者多路的器件，根据输出端口的功率大小可分为等分或者不等分功率分配器，并可分成两路或者多路。

先进设计系统(advanced design system,ADS)支持系统和射频所有类型的设计，仿真速度快，但三维电磁仿真精度较差。HFSS(high frequency structure simulator)为Ansoft公司推出的三维电磁仿真软件，设计精度较高，但仿真时间较长。

二等分功分器是三端口网络，普通的无耗互易三端口网络不可能达到完全匹配，且输出端口间无隔离。而Wilkinson 功分器在简单功分器中引入隔离电阻R，从而实现各端口的匹配及输出端口间的高度隔离。基本的Wilkinson结构如图 1所示。

图 1 单节Wilkinson功分器的结构

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隔离电阻R的引入可以实现输出端口之间隔离。输入输出的3个端口的特性阻抗均为Z₀，端口之间的两路为特性阻抗为 Z₀的微带线，长度为λ/4，两根线实现阻抗的变换^[6]。

由于电路的对称性，当信号从端口1输入以后，会在两路输出端口得到功率相同、相位相同的两路信号，由于电阻R的两端电位相同，因此没有电流通过。而当端口2输入一个信号后，信号分两路达到端口3，一路直接通过电阻R达到端口3，另一路通过传输线达到端口3。如果R的位置合适的时候，两路信号相位会相差180，并相互抵消，达到信号隔离的效果。为实现输出端口的高驻波比，隔离电阻R的阻值为2 Z₀。

由以上介绍可知，该结构的功分器与工作信号的电长度直接相关，因此工作频率较窄。因此可采用多节阻抗变化级联的形式实现宽带功率分配，多节Wilkinson的结构如图 2所示，利用Wilkinson结构前后级联，各节的特性阻抗Z₁、Z₂、…、Z_n和隔离电阻阻值R₁、R₂、…、R_n各不相同。各节传输线的长度仍为λ/4，各节因阻抗变换产生的反射信号在每节之间相互抵消，从而将工作频带展宽，实现宽带的匹配。理论分析认为功分器的节数越多工作带宽越宽，但引入的插入损耗也越大，应根据设计指标，合理地选择功分器的节数^{[7, 8, 9, 10]}。

图 2 多节Wilkinson功分器的结构

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文中要求设计一个超宽带的等功率两路分配器，具体设计目标为：工作频率为2~12 GHz；传输损耗＜5 dB；端口隔离度＞20 dB；端口驻波比＜1.5。

根据设计指标采用多节Wilkinson结构实现该超宽带功分器，传统的设计方法是采用理论分析计算，得出功分器各支节的具体尺寸和各隔离电阻的阻值。该方法设计周期长，设计精度较差。文中使用ADS和HFSS软件设计该功分器，结合ADS软件的快速仿真和HFSS软件的精度，快速设计出该功分器的尺寸。

首先利用ADS软件的DesignGuide菜单下的passive circuit工具初步综合出该功分器的初始尺寸，功分器板材选择Rogers 4 350高频板，板厚为0.254 mm，介电常数为3.66。根据设计指标功分器的节数设置为5，保证一定的宽带特性和传输损耗。设计模型如图 3所示，ADS软件可以直接综合出各节的微带线线宽、线长和各隔离电阻的阻值。ADS模型仿真结果如图 4所示，从结果可知该模型在2~12 GHz的设计频带内，带内传输损耗小于4 dB，各指标均满足设计要求。

图 3 功分器的ADS仿真模型

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图 4 功分器的ADS仿真结果

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将ADS软件得到初始尺寸在HFSS软件中建立模型，设置仿真腔体和端口激励。为防止腔体自激，屏蔽腔体的尺寸选择为20 mm×23 mm。初步仿真可发现仿真结果与ADS软件仿真结果有所偏差，主要是ADS软件仿真基于二维仿真，仿真精度较差。将HFSS模型中功分器各节的线宽和线长以及各隔离电阻设置成变量，分别为W_n、L_n和R_n(n分别为1，2，…)。改变各变量的值，通过优化仿真得到最优的设计结果。

HFSS的设计模型如图 5所示，优化后的仿真结果如图 6所示。优化后的隔离电阻的阻值分别为R₁=150 Ω，R₂=188 Ω，R₃=287 Ω，R₄=420 Ω，R₅=367 Ω。从仿真结果中可知，该功分器的仿真带内损耗小于4.1 dB，带内回波损耗大于15 dB，端口隔离度优于20 dB。

图 5 功分器的HFSS仿真模型

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图 6 功分器的HFSS仿真模型

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按照仿真时使用的板材和微带线尺寸加工该功分器，由于其工作频率较高，隔离电阻统一采用0402封装电阻，减少分布参数的影响。使用Solidworks软件设计功分器的屏蔽腔体，腔体的尺寸与HFSS模型中的腔体保持一致，腔体材料采用铝材，并作表面氧化处理。功分器的输入输出接头采用SMA高频接头，装配好的功分器实物如图 7所示。

图 7 功分器实物图

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使用矢量网络分析仪对该功分器进行测试，主要测试功分器的传输特性、端口驻波特性、输出端口隔离度等性能。测试结果如图 8，由图可知该超宽带功分器在2~12 GHz的超宽带内的传输损耗小于5 dB，端口回波损耗大于10 dB，输出端口隔离度大于20 dB，均满足设计要求。从测试可知在高频段的测试结果与仿真结果相差较大，主要是接头和测试匹配负载在高频段工作性能较差引入的，同时实际的电阻分布参数对结果也有一定影响。

图 8 功分器的测试结果

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本设计中充分利用了ADS软件和HFSS软件的设计优点，采用多节阻抗变换Wilkinson功分器结构，可在短周期内设计出一款性能优良的超宽带功分器，提高了设计效率，保证了精度。从本设计的2~12 GHz超宽带功分器的测试结果可知，该功分器的各设计指标与仿真的结果大致相同，并均满足设计要求，证明了该设计方法的可行性。