一种改进型的威尔金森功分器

技术领域

本实用新型涉及微波毫米波功率分配器件，更为具体地说，是涉及一种改进型的威尔金森功分器。

背景技术

功率分配器(简称功分器)是将输入功率分成相等或不相等的几路功率输出的一种多端口微波器件。在微波毫米波等高频系统中，都需要将发射或接受功率按一定的比例分配到各单元，因此微波毫米波功分器在微波毫米波组件与系统中得到了大量的应用，而且也是一个关键的部件。功分器有多种实现形式，如各种3dB电桥耦合器、分支线电桥耦合器、环形电桥耦合器、威尔金森功分器等多种结构的功率分配器。功分器的功能构件是约束或引导电磁波能量定向传输的传输线，即导行系统，导行波即指能量的全部或绝大部分受传输线导体或介质的边界约束、在传输线有限截面内沿确定方向(一般为轴向)传输的电磁波，导行波的模式，又称为传输模、正规模，是指能够沿传输线统独立存在的场型，传输线中导模两相邻同相位面之间的距离称为该导模的波导波长λg，是一与传输线结构密切相关的参数。在威尔金森功分器设计中，通常使用的传输线为TEM或准TEM传输线，比如微带传输线。

图1表示现有技术威尔金森功分器的传输线结构，传输线的第一传输线段W接在合路端口，其特征阻抗为Z₀，第二传输线段Y1和Y2接在分路端口，其特征阻抗都为Z₀，传输线段X1和X2的长度为λ_g/4，其特征阻抗为，一隔离电阻R接在传输线段X1、Y1的交点和X2、Y2的交点之间，阻值为2Z₀。文献Ka-Band Wilkinson PowerDivider Based on Chip Resistor[Xu Hongjie；Microwave and Millimeter WaveTechnology，2007.ICMMT’07.International Conference on 18-21April 2007Page(s)：1-4]提出了一个ka波段威尔金森功分器实例，其模型如图2所示，其S11＜-15dB，S22＜-22dB且S32＜-20dB的工作频带为27.5GHz～34.2GHz。

现有威尔金森功分器存在的缺点：

在威尔金森功分器仿真设计中，随着其工作频率的提高(比如毫米波波段时)，很难有效的估计隔离电阻分布参数带来的附加影响，常把隔离电阻设置为理想电阻对威尔金森功分器进行仿真和优化，因此测试结果和仿真结果间总存在差异，比如频率偏移。对于现有技术中的威尔金森功分器，欲较大的增大威尔金森功分器的工作带宽，则必须增加威尔金森功分器的节数，即增加隔离电阻，这必然增大隔离电阻分布参数带来的附加影响，最终导致测试结果和仿真结果间较大的差异。

发明内容

针对现有技术威尔金森功分器存在的不足，本实用新型的目的旨在提供一种改进型的威尔金森功分器，其有效降低了现有技术的多节威尔金森功分器由隔离电阻带来的总的附加影响，并且在使用相同数量隔离电阻的情况下，有效的增大了威尔金森功分器的工 作带宽。

本实用新型对现有技术威尔金森功分器进行了有效的改进，具体方案如下：

在现有技术威尔金森功分器的T接头(图3)或Y接头(图4)的输出主支路上除设置隔离电阻外，还设置分支传输线段，使得各分支传输线段间，分支传输线段与隔离电阻间，以及各分支传输线段与一分二接头间形成闭合环路，从而使自输出端一[2]输入的信号能够经过多条路径到达输出端二[3]，该信号从隔离电阻一端输入，则会经过不同的路径到达隔离电阻的另一端。通过调整各分支传输线段的长度，各分支传输线段在输出主线上的位置，各分支线的阻抗大小以及相应输出主支路段的阻抗大小来实现功分器较好的输出隔离和良好的输入输出匹配，并且在使用相同隔离电阻的情况下，较现有技术威尔金森功分器有更宽的工作带宽。

本实用新型公开的一种改进型的威尔金森功分器，它由电阻和传输线组成，其传输线包括一分二接头，接头的合路端口连接输入支路，接头的两分路端口分别连接两输出主支路，两输出主支路之间除设置有隔离电阻外，还设计了不少于1条的连通两输出主支路的分支传输线段，与一分二接头相邻的分支传输线段按从节点A至节点B11的路径等于从节点A至节点B12的路径等于(λi/4)*(2p+1)+(λi/4)*ζ设计，与隔离电阻相邻的分支传输线段Bj1Bj2按从节点A11至节点Bj1加节点Bj1至节点Bj2再加节点Bj2至节点A12的路径为(λe/2)*(2q+1)设计，其他节点的分支传输线段按从节点B(k-1)1至节点Bk1的路径等于从节点节B(k-1)2至节点Bk2的路径等于2*λh*δ设计，其中，λi为工作带宽内的频率点fi对应的波导波长，p为小于20的自然数，-1＜ζ＜1；λe为工作带宽内的频率点fe对应的波导波长，q为小于20的自然数，j为小于等于分支传输线段条数的正整数；λh为工作带宽内的频率点fh对应的波导波长，k为大于等于2小于等于分支传输线段的条数的整数，0＜δ＜1。

为了取得更好的效果，在上述技术方案的基础上本实用新型还进一步采取了以下技术措施：

连通两输出主支路的分支传输线段一般设计为1～12条。分支传输线段的条数越多，功分器的的输出隔离和输入输出匹配效果更好，但制作调试也更为麻烦，因此分支线条数优先考虑采用1～12条。

所述传输线为微带线，两输出主支路间的分支传输线段长度小于2*λo，其中，λo为功分器中心频率对应的波导波长。

根据本实用新型使用的实际要求，可以将分支传输线段设置在隔离电阻的左侧。

根据本实用新型使用的实际要求，可以将分支传输线段设置在隔离电阻的右侧。

根据本实用新型使用的实际要求，可以将分支传输线段设置在隔离电阻的两侧。

本实用新型分析如下：

本实用新型的模型以图5所示的威尔金森功分器结构示意图加以说明。图中的各段实线分别表示各段传输线，各段传输线的交界面分别由实线的交点示意，各交点用图中的字母表示。该改进型的威尔金森功分器的总体结构包括隔离电阻，一分二接头，一输入支路和两输出主支路，以及不少于1条的连通两输出主支路的分支传输线段Bk1Bk2。

在图5中，1表示所述功分器传输线的输入端，2、3分别表示所述功分器传输线的输出端一和输出端二，信号由输入端1输入后经过一分二接头4分为两路信号，经过两输出 主支路输出。

适当设置分支传输线段Bk1Bk2与输出主支路上分段AB11、AB12、B(k-1)1Bk1、B(k-1)2Bk2、Bn1A11、Bn2A12的长度和阻抗，当某频率为fi的信号(令fi对应的波导波长为λi)由输出端2输入时，有多条路径到达输出端3。

根据威尔金森功分器原理可知：①信号自节点A11经路径A11→Bn1→Bn2→A12到节点A12时，当A11Bn1+Bn1Bn2+Bn2A12＝λi/2或者λi/2的奇数倍时，频率为fi的信号经过上述路径后在节点Bk2处相互抵消；②信号自节点A11经路径A11→Bn1→B(n-1)1→……→B(k+1)1→Bk1→Bk2→B(k+1)2→……→B(n-1)2→Bn2→A12到节点A12时，当A11Bn1+……+B(k+1)1Bk1+Bk1Bk2+B(k+1)2Bk2+……+B(n-1)2Bn2+Bn2A12＝λi/2或者λi/2的奇数倍时，频率为fi的信号经过上述路径后在节点A12处相互抵消；③信号自节点A11经路径A11→Bn1→……→Bk1→B(k-1)1→B(k-2)1→……→B21→B11→A→B12→B22→……→B(k-1)2→Bk2→……→Bn2→A12到节点A12时，当A11Bn1+……+Bk1B(k-1)1+B(k-1)1B(k-2)1+……+B21B11+B11A+AB12+B12B22+……+B(k-2)2B(k-1)2+B(k-1)2Bk2+……+Bn2A12＝λi/2或者λi/2的奇数倍时，频率为fi的信号经过上述路径后在节点A12处相互抵消。以上两输出端间多路径的信号传输方式与多节威尔金森功分器类似，因此在使用相同隔离电阻的情况下，本实用新型所涉及的威尔金森功分器，其可实现的两输出端间良好隔离的频带宽度，比现有技术威尔金森功分器的频带宽度宽得多。

采用奇偶模法对本实用新型所涉及的威尔金森功分器进行分析，可知：①当在输出端采用偶模馈电时，分支传输线段Bk1Bk2的对称中心等效为开路，即该功分器的偶模模型相当于一个在传输线上并联开路支节匹配单元；②当在输出端采用奇模馈电时，分支传输线段Bk1Bk2的对称中心等效为短路，即该功分器的奇模模型相当于一个在传输线上并联短路支节匹配单元。因此在使用相同隔离电阻的情况下，本实用新型所涉及的威尔金森功分器，其可实现的输入输出阻抗匹配频带宽度比现有技术的威尔金森功分器的阻抗匹配频带宽度宽得多。

调整各分支传输线段Bk1Bk2在输出主支路上的位置，各分支传输线段Bk1Bk2的阻抗大小以及相应输出主支路段B(k-1)1Bk1，B(k-1)2Bk2的阻抗大小可使多个频率点在两个输出口间隔离，并且同时实现该功分器输入输出的良好匹配。

根据以上本实用新型的工作原理，建立仿真模型。

仿真模型初值选取如下：①在两个输出主支路上设置分支传输线段，分支传输线段的条数n根据所设计的工作带宽而定，各分支传输线段如图5所示，分别记为B11B12，B21B22，B31B32，……B(k-1)1B(k-1)2，Bk1Bk2，……B(n-1)1B(n-1)2，Bn1Bn2，设置各分支传输线段长度初值为λ0/2(λ0为该功分器中心频率对应的波导波长)；②在工作带宽内取n个频率点(其包括通带边沿对应的频率点)，分别标记为f1，f2，f3，……，fk，……，fn，各频率点对应的波导波长为λ1，λ2，λ3，……，λk，……，λn。设置从节点A至节点B11的路径等于从节点A至节点B12的路径等于λ1/4或等于λ1/4奇数倍，取B(k-1)2Bk2＝B(k-1)1Bk1，并将其值设置为λk/2或者为λk/2的奇数倍，为了使设计的功分器尺寸较小，选取AB11＝λ1/4，B(k-1)2Bk2＝B(k-1)1Bk1＝λk/2；③按照分支线电桥中分支线的 阻抗选取经验方法设置该功分器的分支线阻抗及输出主支路上各段阻抗的仿真初值。

按照以上方法建立所述功分器的仿真模型，调整各分支传输线段与隔离电阻在输出主支路上的位置，各分支线段的阻抗大小以及输出主支路上各段的阻抗大小，从而实现所述功分器较好的输出隔离和良好的输入输出匹配。

最终模型中，从节点A至节点B11的路径等于从节点A至节点B12的路径等于(λi/4)*(2p+1)+(λi/4)*ζ；与隔离电阻相邻的分支传输线段Bj1Bj2，从节点A11至节点Bj1加节点Bj1至节点Bj2再加节点Bj2至节点A12的路径为(λe/2)*(2q+1)；其他节点的分支传输线段满足从节点B(k-1)1至节点Bk1的路径等于从节点节B(k-1)2至节点Bk2的路径等于2*λh*δ，其中，λi为工作带宽内的频率点fi对应的波导波长，p为小于20的自然数，-1＜ζ＜1；λe为工作带宽内的频率点fe对应的波导波长，q为小于20的自然数，j为小于等于分支传输线段条数的正整数；λh为工作带宽内的频率点fh对应的波导波长，k为大于等于2小于等于分支传输线段的条数的正整数，0＜δ＜1。

运用相同的设计思路，还可以对功分器示意图5做一些变化，比如：(1)在隔离电阻的右侧设置所述分支传输线段(如图6所示)；(2)在隔离电阻两侧均设置分支传输线段(如图7所示)等等。以上两种情况均可运用上述分析加以解释。

本实用新型的优点：

1.本实用新型在不增加隔离电阻的情况下，可以有效的增大威尔金森功分器的工作带宽；

2.实现较宽的工作带宽的情况下，本实用新型使用的隔离电阻更少，减小了隔离电阻带来的附加影响，相对传统的多节威尔金森功分器模型而言，提高了仿真结果的准确度，从而提高了宽带威尔金森功分器的设计效率；

3.实现较宽的工作带宽的情况下，本实用新型使用隔离电阻更少，减少了生产成本；

4.实现较宽的工作带宽的情况下，本实用新型使用隔离电阻更少，减少了安装电阻的时间，提高了生产效率；

附图说明

图1为现有技术的二路威尔金森功分器的示意图。

图2为现有技术的一个ka波段威尔金森功分器的示意图。

图3为T接头的示意图。

图4为Y接头的示意图。

图5为隔离电阻左侧设置分支传输线段的改进型威尔金森功分器的示意图。

图6为隔离电阻右侧设置分支传输线段的改进型威尔金森功分器的示意图。

图7为隔离电阻两侧均设置分支传输线段的改进型威尔金森功分器的示意图。

图8为采用4条分支传输线段的一种改进型威尔金森功分器模型的示意图，

上述附图中的各图示标号标识对象是：1-输入支路输入端；2-一输出支路的输出端(即输出端一)；3-另一输出支路的输出端(即输出端二)；4-传输线的一分二接头；5-输入支路矩形段；6-输入支路梯形段；7-为一输出支路设有输出端口垂直功分器轴线的一支路段；8-为另一输出支路设有输出端口垂直功分器轴线的一支路段。

具体实施例

本领域内的普通技术人员都知道，以下所有具体实施例中的Y接头均可换成T接头，所采用的渐变线均可用多段四分之一波长阻抗变换器代替。可以在形式上和细节上对本实用新型所涉及的威尔金森功分器的改进结构进行各种各样的改变，但其本质都是一样的，都应属于本实用新型的保护范围。

下面结合附图对本发明的实施例进行说明。

图8为本实用新型实施例的示意图，所采用的传输线为微带线，。采用5880介质基板，其介电常数为2.2，厚度为0.254mm，图8未画出基板和位于基板底面的地导体层，图8中内外实线所围区域为位于介质基板顶面的微带导体带。图中虚线表示信号传输的路径，各段虚线分别表示各段微带线，各段微带线的交面分别由虚线的交点示意，各交点用图中的字母表示，R为威尔金森功分器的隔离电阻，隔离电阻所在分支与两输出主支路的交界面由图中虚线的交点(即节点A11，A12)示意。

图8所示的改进型威尔金森功分器包括：隔离电阻，一分二接头(图中，交点A所指的部分)，输出主支路一A→B11→B21→B31→B41→7，输出主支路二A→B12→B22→B32→B42→8，以及设置在输出主支路一和输出主支路二间的四条分支传输线段(B11B12、B21B22、B31B32、B41B42)。其中，第一传输线段5，其与合路端口连接，可称之为合路输入线，其特性阻抗为Z0(取为50欧姆)；第二传输线段7，8，其分别与两个分路端口连接，可称之为分路输出线，其特性阻抗为Z0(取为50欧姆)；渐变线6作为阻抗变换器，其一端与合路输入线5连接，另一端与一分二接头的输入端连接。

最终结果：S11＜-16dB，S22＜-15.5dB且S32＜-20dB的工作频带为26GHz43.8GHz。该结果与图2所示的现有技术威尔金森功分器相比，本实用新型所提供的威尔金森功分器改进方案使威尔金森功分器的工作带宽增大了近两倍。