【文章內(nèi)容簡介】 功率的分配和合成，在超寬帶短脈沖電磁場應(yīng)用中，采用陣列天線的技術(shù)提高探測距離是較為理想的選擇，陣列天線的關(guān)鍵技術(shù)——功分器的研制就相當(dāng)重要。功分器全稱功率分配器，英文名Power divider，是一種將一路輸入信號功率分成兩路或多路輸出相等或不相等能量的器件，也可反過來將多路信號能量合成一路輸出，此時可也稱為合路器。在現(xiàn)代電子通信領(lǐng)域,特別是微波電路中, 為了將功率按一定的比例分成兩路或者多路，需要使用功率分配器。功分器廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、多路中繼通信機等大功率器件等微波射頻電路中。1960年，Ernest J. Wilkinson發(fā)表了名為An Nway Hybird Power Divede的論文中介紹了一種在所有端口均匹配、低損耗、高隔離度、同相的N端口功分器,即威爾金森功分器。Wilkinson功分器有單頻帶和多頻帶,本文是基于三頻帶設(shè)計的多頻帶射頻功率分配器。此前，緊湊的非均勻傳輸線變壓器（shamaileh et al.，2011）和非對稱耦合線部分（Wu amp。 Liu，2011）已被用來設(shè)計新的功率分配器。chongcheawchamnan等人在2006，從任意雙頻操作的基本概念延伸，提出了一個基于三段傳輸線變壓器的三波段功率分配器。2013年1月，北京郵電大學(xué)電子工程學(xué)院吳永樂等人，發(fā)表了《一種基于耦合線的新型緊湊型三帶威爾金森功分器》的論文。本文以ADS2009仿真軟件為工具，設(shè)計研究威爾金森三頻帶等分功率分配器。不同于三波段功率分配器使用三段傳輸線實現(xiàn)的傳統(tǒng)電路，本文研究的是由三節(jié)耦合線和三隔離電阻組成的電路。通過本文的理論研究和試驗驗證，要對比研究功分器的技術(shù)指標(biāo):通帶內(nèi)各端口反射系數(shù)、通帶內(nèi)兩輸出端口的隔離度、通帶內(nèi)傳輸損耗、通帶內(nèi)功分比、通帶內(nèi)相位平衡度。1 多頻帶射頻功率分配器原理分析 功分器的產(chǎn)生與發(fā)展在實際應(yīng)用中，有時需要將信號源的功率分別饋送給若干個分支電路（負(fù)載），例如將發(fā)射機的功率分別饋送給天線的很多個輻射單元，就是說，進(jìn)行功率分配。在近代微波大功率固態(tài)發(fā)射源的功率放大器中廣泛地使用著功率分配器，而且功率分配器常是成對的使用，先將功率分成若干份，然后分別放大，再合成輸出。1960年，Ernest J. Wilkinson發(fā)表了名為An Nway Hybird Power Divede的論文中介紹了一種在所有端口均匹配、低損耗、高隔離度、同相的N端口功分器,即威爾金森功分器。最初它的原始模型是同軸形式，此后在微帶和帶狀線結(jié)構(gòu)上得到了廣泛地應(yīng)用和發(fā)展，工程中大量使用的是微帶線形式，大功率情況下也會用到空氣帶狀線或空氣同軸線形式。目前常見的微波功分器是采用微帶線或腔體波導(dǎo)等結(jié)構(gòu)的分布參數(shù)功分器。腔體波導(dǎo)功分器插損小、平衡度好，但隔離度較差，制作工藝較復(fù)雜，微帶功分器制作簡單，但相對帶寬較小。而且以上分布參數(shù)功分器僅限于微波波段的窄頻帶應(yīng)用，在微波頻段以下，小型化、寬帶功分器的制作比較困難。 國內(nèi)研究進(jìn)展國內(nèi)對于微帶功分器方面的技術(shù)研究報道還甚少，鐘哲夫曾在空間合成高功率微波方面做了一些深入探討，提出每支常規(guī)大功率管子供給一個輸出喇叭、多支喇叭組成陣列,使輻射場在空間合成高功率微波束，重點研究了各種饋源輸出喇叭陣列合成性能。汪海洋曾對高功率合成的關(guān)鍵技術(shù)，如鎖相源、高功率移相器、功率合成器進(jìn)行了討論分析。并結(jié)合實驗室實際情況，提出了以三端口輸出相對論磁控管作為相干高功率微波源進(jìn)行高功率合成技術(shù)研究的方案。理論計算和仿真軟件ADS結(jié)合，設(shè)計了一種高功率微波介質(zhì)移相器和波導(dǎo)型功率合成器，給出了具體設(shè)計參數(shù)。國內(nèi)其他學(xué)者對功率合成技術(shù)也進(jìn)行了相關(guān)研究。2013年1月，北京郵電大學(xué)電子工程學(xué)院吳永樂等人，發(fā)表了《一種基于耦合線的新型緊湊型三帶威爾金森功分器》的論文。文章中對三帶威爾金森功分器的理論研究給出了詳細(xì)介紹。 功分器的理論（原理）簡單的二等分功分器屬于三端口網(wǎng)絡(luò)。由于普通的無耗互易三端口網(wǎng)絡(luò)不可能達(dá)到完全匹配，且輸出端口間無隔離。而工程上對信號之間的隔離要求很高，因此需采用混合型功率分配器，即威爾金森型功率分配器。Wilkinson的理論主要是在簡單功分器中引入了隔離電阻，從而實現(xiàn)信號鏈路匹配和高度隔離。它的原理在于引入隔離電阻后，功分器變?yōu)橛泻牡娜丝诰W(wǎng)絡(luò)。從三端口網(wǎng)絡(luò)的基本性質(zhì)可知，有耗三端口網(wǎng)絡(luò)可以做到完全匹配且輸出端口之間具有隔離，從而改善了普通功分器的不足。同樣，該類型的功分器可以實現(xiàn)任意功率分配比，且可方便地用微帶線或帶狀線來實現(xiàn)。簡單原理圖如下：信號輸入端的功率為P1，而其他兩個輸出端口的功率分別為P2和P3，由能量守恒定律可知道P1=P2+P3。 圖11簡單原理圖一分為二功分器是三端口網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。信號輸入端的功率為P1,而其他兩個端口的功率分別為P2和P3。由能量守恒定律可知P1= P2+ P3 ,如果P2（dBm）=P3(dBm)，三端口功率間的關(guān)系可寫成P2（dBm）=P3(dBm)= P1（dBm），P2并不一定要等于P3，只是相等的情況在實際電路中最常用。因此,功分器可分為等分型（P2=P3）和比例型（P2=kP3）兩種類型。本文研究的是等分型功率分配器，當(dāng)P2=P3時的情況。理論基礎(chǔ)依據(jù)即由能量守恒定律P1=P2+P3。 功分器的技術(shù)指標(biāo)功分器的主要技術(shù)指標(biāo)包括頻率范圍、承受功率、主路到支路的分配損耗、輸入輸出間的插入損耗、支路端口間的隔離帶、每個端口的電壓駐波比等。（1）頻率范圍 這是各種射頻/微波電路的工作前提，功分器的設(shè)計結(jié)構(gòu)與工作頻率密切相關(guān)。必須首先明確功分器的工作頻率，才能進(jìn)行下面的設(shè)計。（2）承受功率 在功分器（合成器）中，電路元件所能承受的最大功率是核心指標(biāo)，它決定了采用什么形式的傳輸線才能實現(xiàn)設(shè)計任務(wù)。一般地，傳輸線承受功率由小到大 的次序是微帶線、帶狀線、同軸線、空氣帶狀線、空氣同軸線，要根據(jù)設(shè)計任務(wù)來選擇用何種傳輸線。（3）分配損耗 主路到支路的分配損耗實質(zhì)上與功分器的主路分配比Ad有關(guān)。其定義為Ad=10logPinPout（4）插入損耗 輸入輸出間的插入損耗是由于傳輸線（如微帶線）的介質(zhì)或?qū)w不理想等因素產(chǎn)生的?？紤]輸入端的駐波比所帶來的損耗，插入損耗Ai定義為Ai=AAd,A是在其他支路端口接匹配負(fù)載，主路到某一支路間的傳輸損耗，其為實測值。A在理想狀態(tài)下為Ad。在功分器的實際工作中，幾乎都是用A作為研究對象。（5）隔離帶 支路端口間的隔離帶是功分器的另一個重要指標(biāo)。如果從每個支路端口輸入功率只能從主路端口輸出，而不應(yīng)該從其他支路輸出，這就是求支路之間有足夠 的隔離度。在主路和其他支路都接匹配負(fù)載的情況下，i端口和j端口的隔離度定義Aij=10logPiniPoutj。隔離度的測量也可按照這個定義進(jìn)行（6）駐波比 每個端口的電壓駐波比越小越好。2 多頻帶射頻功率分配器設(shè)計方案 威爾金森功分器設(shè)計原理圖分析圖21簡單功分器模型輸入信號功率P1經(jīng)過特性阻抗為Z1e,Z2e,Z3e的傳輸線到上端口輸出功率P2，經(jīng)過傳輸線Z10，Z20，Z30的傳輸線到下端口輸出功率P3。其中R1，R2，R3起到阻抗隔離的作用，是隔離電阻。無耗T型結(jié)分配器不能在全部端口匹配，另外在輸出端口之間沒有任何隔離。工程中，得到更為廣泛應(yīng)用的是威爾金森功率分配器，它是這樣一種網(wǎng)絡(luò)：當(dāng)輸出端口都匹配時，它仍具用無耗的有用特性，只是散射了反射功率，這種功率分配器原始模型是同軸形式，經(jīng)常用微帶線形式實現(xiàn)。威爾金森功率分配器有兩路、三路、多路情況，下面介紹兩路情況。根據(jù)微波工程的理論可知，有耗三端口網(wǎng)絡(luò)可制成全部端口匹配，并在輸出端口之間有隔離。Wilkinson功分器就是這樣一種網(wǎng)絡(luò)。Wilkinson功分器可制成任意比例功分器，但一般考慮等分情況。圖3給出了相應(yīng)的等效傳輸線電路?？梢岳眠@個較簡單的電路（在輸出端口用對稱和反對稱源驅(qū)動）對電路進(jìn)行分析。 圖22簡單等分功分器，比例輸入功率 設(shè)端口3和端口2的輸出功率比為K2，即 K2=P3P2 (11)由于端口1到端口2與端口1到端口3的線長度相等，故端口2的電壓V2與端口3的電壓V3相等，即V2=V3。又端口2和端口3的輸出功率與電壓關(guān)系為 P2=U22Z2P3=U32Z3 （12）將上式代入式（11） U32Z3=K2U22Z2 (13)即 Z2 = K2Z3 (14)式中，Z2 、Z3為端口2和端口3的輸入阻抗，若選 Z2=KZ0Z3=Z0K （15）則可以滿足式（14），為了保證端口1匹配，應(yīng)該 1Z0=Z2Z022+Z3Z0321Z0=KZ0Z022+Z0KZ032 (16)同時考慮到 Z022Z2=K2Z032Z3 （17）則 1Z0=（K2+1）Z3Z032=（K2+1）Z0Z032 （18）所以 Z03=1+K2K3Z0Z02=K（1+K2）