小型化Wilkinson功分器：原理、设计与性能优化

小型化Wilkinson功分器：原理、设计与性能优化一、引言1.1研究背景与意义随着现代通信技术的飞速发展，微波通信在无线通信、卫星通信、雷达等领域中占据着举足轻重的地位。在这些微波系统中，功分器作为一种关键的微波无源器件，发挥着不可或缺的作用。其主要功能是将一路输入信号的功率按照特定比例分配到各个输出支路，确保信号在不同路径上的有效传输与处理。Wilkinson功分器自1960年由E.J.Wilkinson提出以来，凭借其独特的互易、匹配以及高隔离度的特点，在微波电路设计中得到了极为广泛的应用。与其他类型的功分器相比，Wilkinson功分器在实现信号功率分配的同时，能够有效地保证各输出端口之间的隔离度，减少信号之间的相互干扰，从而提高整个微波系统的性能。在无线通信基站的射频前端电路中，Wilkinson功分器可用于将发射机的功率分配到各个天线单元，确保信号能够均匀地辐射到空间中；在雷达系统中，它能够将雷达发射机的大功率信号精确地分配到不同的接收通道，实现对目标的准确探测和定位。然而，传统的Wilkinson功分器在实际应用中面临着一些挑战。其物理尺寸与工作频率的波长成比例关系，这意味着在低频段工作时，功分器的尺寸会变得较大。以X波段以下的频段为例，传统Wilkinson功分器的尺寸过大，不仅在电路板上占据过多的空间，增加了电路设计的复杂度和成本，还不利于系统的小型化和集成化。这对于现代通信系统中追求高集成度、小型化的发展趋势来说，是一个亟待解决的问题。随着通信技术的不断进步，对微波器件的性能要求也越来越高。在毫米波频段，虽然Wilkinson功分器的物理尺寸会相应减小，但微带传输线的不连续性影响却变得愈发突出。这些不连续性会导致信号的反射、散射和传输损耗增加，严重影响功分器的性能，如插入损耗增大、回波损耗变差、隔离度降低等，进而影响整个微波系统的信号质量和传输效率。为了满足现代通信系统对小型化、高性能微波器件的需求，对小型化Wilkinson功分器的研究具有重要的现实意义。小型化的Wilkinson功分器能够显著减小微波系统的体积和重量，降低成本，提高系统的集成度和可靠性。在便携式通信设备中，如智能手机、平板电脑等，小型化的功分器可以为其他功能模块节省更多的空间，使得设备能够实现更轻薄、更紧凑的设计；在卫星通信系统中，小型化的功分器有助于减轻卫星的重量，降低发射成本，提高卫星的性能和使用寿命。小型化Wilkinson功分器的研发还能够推动微波通信技术的进一步发展，为5G、6G等新一代通信技术的应用提供关键支持，促进通信系统在高速数据传输、低延迟通信等方面的性能提升，满足人们对更优质通信服务的需求。1.2国内外研究现状Wilkinson功分器自1960年被E.J.Wilkinson提出后，在国内外都受到了广泛的关注和深入的研究。国外在小型化Wilkinson功分器的研究方面起步较早，取得了众多具有创新性的成果。在结构优化领域，2001年，Jong-SikLim等人巧妙地将传统的Wilkinson功分器拓扑结构与缺陷地（DGS）结构相结合，利用DGS结构增加微带线特性阻抗的原理，成功突破了加工工艺对高阻抗微带线的限制。在实现4:1的Wilkinson功分器时，对于常规加工工艺难以实现的158欧姆微带线，通过这种设计，在相同导体宽度下获得了更高的特性阻抗，使得功分器在保持性能的同时实现了小型化。在材料与工艺应用方面，2021年，M.L.Laurenzid等人采用低温共烧陶瓷（LTCC）工艺设计了用于全球导航卫星系统的小型化双频功分器。LTCC具有极高介电常数和低损耗的特性，虽然无法在该衬底上制作晶体管结构，但非常适合用于小型化无源微波器件。这种工艺的应用有效减小了功分器的体积，满足了全球导航卫星系统对器件小型化的需求。国内在小型化Wilkinson功分器的研究上也紧跟国际步伐，取得了一系列重要进展。在理论与方法研究方面，合肥工业大学的许银生等人在2008年通过深入研究微带T型结构和微带拐角的不连续性，创新性地设计了一种新型的Wilkinson功分器。该设计通过对微带不连续性的补偿，有效降低了微带不连续性对Wilkinson功分器的影响，实现了功分器的体积微型化，为国内小型化Wilkinson功分器的研究提供了新的思路和方法。在工程应用与实践方面，科研人员积极将小型化Wilkinson功分器应用于实际的微波系统中。在5G通信基站的射频前端设计中，通过优化Wilkinson功分器的结构和参数，实现了信号的高效分配和传输，提高了基站的通信性能，同时减小了功分器的尺寸，满足了5G基站对设备小型化和集成化的要求。近年来，随着通信技术向更高频段发展，如毫米波、太赫兹频段，对小型化Wilkinson功分器的性能要求也越来越高。国内外的研究主要集中在进一步减小功分器的尺寸、提高其工作带宽、降低插入损耗和提高隔离度等方面。在减小尺寸方面，研究人员不断探索新的结构和材料，如采用超材料结构、新型复合材料等，以实现更高效的小型化设计；在提高带宽方面，通过改进阻抗匹配网络、采用多节阻抗变换器等方法，拓展功分器的工作带宽；在降低插入损耗和提高隔离度方面，优化传输线的设计、改进电阻的布局和参数等措施被广泛应用。1.3研究内容与方法本研究围绕小型化Wilkinson功分器展开，深入探究其设计原理、优化方法以及性能提升策略，旨在为现代通信系统提供高性能的小型化功分器解决方案。在设计原理与方法方面，深入剖析传统Wilkinson功分器的工作原理，包括传输线理论和奇偶模分析方法，明确其在功率分配和隔离度实现上的机制。在此基础上，研究用于实现小型化的各种方法，如利用慢波结构增加传输线等效集总电容和电感，通过在微带、共面波导等传输线上加载蛇形线、交指电容等实现；采用集总参数元件或者开路枝节代替部分传输线，像在特定CMOS工艺下利用传输线T型等效和有源电感器实现功分器小型化；运用改进后的阻抗变换器，如利用阶梯阻抗线和短截线设计用于MMIC的小型化功分器，并结合电容网络提高隔离度；借助先进工艺将阻抗变换器蜿蜒或分层，如设计多层结构的大功率小型化Wilkinson功分器，通过通孔连接不同层实现分支组合和阻抗变换器蜿蜒。性能指标分析与优化也是重点研究内容。详细分析小型化Wilkinson功分器的关键性能指标，包括插入损耗、回波损耗、隔离度、幅度平衡度和相位平衡度等。研究这些性能指标在小型化过程中受到的影响因素，如传输线的不连续性、集总参数元件的寄生效应、材料的损耗等。针对这些影响因素，提出相应的优化策略，如通过优化传输线的布局和参数，减少不连续性带来的反射和散射；合理选择集总参数元件，降低寄生效应；选用低损耗的材料，降低插入损耗。本研究还将进行案例分析与实验验证。设计并制作一款基于特定小型化方法的Wilkinson功分器，如基于慢波结构或集总参数元件的设计。利用电磁仿真软件，如HFSS、ADS等，对设计的功分器进行仿真分析，得到其S参数、驻波比、插入损耗等性能指标的仿真结果，并根据仿真结果对设计进行优化。制作功分器实物，使用矢量网络分析仪等测试设备对其性能进行实际测试，将测试结果与仿真结果进行对比分析，验证设计的可行性和有效性，分析可能存在的误差原因，为进一步改进设计提供依据。在研究方法上，本研究采用理论分析、仿真与实验相结合的方式。理论分析为整个研究提供坚实的基础，通过对Wilkinson功分器的工作原理、小型化方法以及性能指标的理论推导和分析，深入理解其内在机制和影响因素，为后续的设计和优化提供理论指导。仿真是研究过程中的重要环节，利用专业的电磁仿真软件，对设计的小型化Wilkinson功分器进行虚拟建模和仿真分析，快速验证设计方案的可行性，直观地观察各种参数变化对功分器性能的影响，从而高效地进行参数优化和方案调整，节省时间和成本。实验则是对研究成果的最终验证，通过制作实物并进行实际测试，获取真实的性能数据，检验理论分析和仿真结果的准确性，确保设计的小型化Wilkinson功分器能够满足实际应用的需求。二、Wilkinson功分器基本原理2.1功分器概述2.1.1功分器的定义与功能功分器，全称为功率分配器，是一种在射频微波领域中起着关键作用的无源器件。其核心功能是将一路输入信号的功率按照特定的比例，精准地分配到两个或多个输出端口，以满足不同电路模块对信号功率的需求。在现代通信系统中，信号的处理往往需要多个通道协同工作，功分器便成为了实现信号功率合理分配的重要桥梁。在一个多天线的无线通信系统中，为了确保每个天线都能接收到合适功率的信号，功分器会将发射机输出的信号功率平均分配到各个天线端口，使得信号能够均匀地辐射到空间中，从而提高通信的覆盖范围和质量。功分器在射频微波系统中的应用极为广泛，是众多关键电路的重要组成部分。在通信系统中，它不仅用于信号的发射端，将功率分配到多个天线，实现信号的广泛覆盖；还在接收端发挥作用，将来自不同天线的信号进行合成，以便后续的信号处理。在雷达系统中，功分器用于将发射机的大功率信号分配到各个发射通道，确保雷达能够以足够的功率探测目标；同时，在接收通道中，将接收到的微弱信号进行合理分配，提高雷达的接收灵敏度和分辨率。在电子对抗系统中，功分器可将干扰信号分配到多个发射天线，增强干扰效果，干扰敌方的通信和雷达系统。功分器还在广播系统、卫星通信系统等众多领域中发挥着不可或缺的作用，是实现信号有效传输和处理的关键元件。2.1.2常见功分器类型比较在射频微波领域，除了Wilkinson功分器，还有T型功分器、分支线定向耦合器等常见类型，它们在结构和性能上各具特点。T型功分器是一种较为简单的功分器结构，它由一个T型的传输线结构组成，通过将输入信号直接分配到两个或多个输出端口来实现功率分配。其结构简单，易于设计和制作，成本较低。T型功分器存在明显的局限性。它无法实现所有端口的良好匹配，当信号从一个端口输入时，其他端口可能会出现反射现象，导致信号能量的损失和传输效率的降低。T型功分器的输出端口之间没有隔离措施，这意味着当一个输出端口有信号反射时，会对其他输出端口产生干扰，影响整个系统的性能。分支线定向耦合器也是一种常用的功分器类型，它由两根平行的传输线和两条分支线组成。通过调整分支线的长度和特性阻抗，可以实现信号的定向耦合和功率分配。分支线定向耦合器具有定向性好的特点，能够将输入信号按照特定的方向进行分配，在一些需要定向传输信号的场合具有优势。它的设计相对复杂，需要精确控制传输线的长度和参数，对加工工艺要求较高。分支线定向耦合器的插入损耗较大，会导致信号在传输过程中的能量损失，影响系统的整体性能。相比之下，Wilkinson功分器具有独特的优势。它采用了特殊的结构设计，通过在输出端口之间连接一个隔离电阻，有效地解决了端口匹配和隔离的问题。当信号从输入端口输入时，Wilkinson功分器能够将信号均匀地分配到各个输出端口，并且在各个端口都能实现良好的匹配，减少信号的反射和能量损失。其隔离电阻的存在使得输出端口之间具有较高的隔离度，当一个输出端口出现信号反射时，隔离电阻能够吸收反射信号的能量，避免其对其他输出端口产生干扰，从而保证了系统的稳定性和可靠性。Wilkinson功分器的设计相对灵活，可以通过调整传输线的长度和阻抗，实现不同的功率分配比和工作频率范围，满足各种不同的应用需求。2.2Wilkinson功分器工作原理2.2.1传输线理论基础传输线是一种能够引导电磁波沿特定路径传输的结构，在微波电路中起着至关重要的作用，是理解Wilkinson功分器工作原理的基础。从本质上讲，传输线是一种具有分布参数的电路元件，其分布参数主要包括电阻R、电感L、电容C和电导G。这些参数沿传输线的长度方向连续分布，且与传输线的物理结构、材料特性以及工作频率密切相关。在理想的无损传输线中，电阻R和电导G为零，此时传输线的特性主要由电感L和电容C决定。特性阻抗Z_0是传输线的一个重要参数，它定义为传输线上电压波与电流波的比值，对于无损传输线，其特性阻抗Z_0=\sqrt{\frac{L}{C}}，单位为欧姆（\Omega）。特性阻抗是传输线的固有属性，它只与传输线的分布参数L和C有关，而与传输线的长度无关。当传输线的物理结构和材料确定后，其特性阻抗也就随之确定。在微带线中，特性阻抗主要取决于微带线的宽度、介质基板的厚度和介电常数等因素。在实际应用中，传输线的特性阻抗需要与连接的源和负载阻抗相匹配。当传输线的特性阻抗与源和负载阻抗不匹配时，会导致信号在传输过程中发生反射。这种反射会使传输线上出现驻波，驻波的存在会导致信号的能量不能有效地传输到负载，从而降低传输效率，同时还可能引起信号失真和干扰，影响整个系统的性能。为了避免这些问题，通常需要采用阻抗匹配技术，如使用阻抗变换器、匹配网络等，使传输线与源和负载之间实现良好的匹配，确保信号能够高效、稳定地传输。传输线的另一个重要参数是传播常数\gamma，它描述了电磁波在传输线上的传播特性。传播常数\gamma=\alpha+j\beta，其中\alpha为衰减常数，单位为奈培/米（Np/m）或分贝/米（dB/m），表示电磁波在传输过程中幅度的衰减程度，其大小与传输线的电阻、电导以及工作频率等因素有关；\beta为相位常数，单位为弧度/米（rad/m），表示电磁波在传输过程中相位的变化速率，与传输线的电感、电容以及工作频率有关。对于无损传输线，\alpha=0，此时传播常数\gamma=j\beta，电磁波在传输线上无衰减地传播，其相位随传输距离线性变化。2.2.2奇偶模分析法奇偶模分析法是一种在微波电路分析中广泛应用的强大工具，对于深入理解Wilkinson功分器的工作原理和性能特性具有关键作用。该方法基于线性电路的叠加原理，将复杂的多端口网络分析简化为对奇模和偶模两种特殊模式的单独分析，然后通过叠加这两种模式的分析结果，得到电路在一般激励下的响应。在Wilkinson功分器的分析中，首先需要对电路进行奇偶模激励的设定。对于一个典型的Wilkinson功分器，其具有一个输入端口和两个输出端口。当进行偶模激励时，在两个输出端口施加大小相等、相位相同的电压信号。由于两个输出端口的信号相同，在功分器内部的隔离电阻两端，电压相等，根据欧姆定律I=\frac{V}{R}，此时电阻中没有电流流过，电阻相当于开路状态。这就使得功分器在偶模激励下，可以等效为两个相互独立的传输线结构，每个传输线从输入端口连接到一个输出端口。通过对这种等效结构的分析，可以得到偶模下的传输特性，如端口阻抗、传输系数等。而在奇模激励时，在两个输出端口施加大小相等、相位相反的电压信号。在这种情况下，功分器内部的隔离电阻两端存在电压差，电流会流过电阻。此时，从电路的中心对称线来看，该线成为电压零点，即地电位。基于此，我们可以将功分器沿中心对称线剖分，得到两个独立的电路部分，每个部分只包含一个输出端口和与之相关的传输线及电阻。通过对这两个独立部分的分析，可以得到奇模下的传输特性。通过对奇模和偶模传输特性的分析，可以全面了解Wilkinson功分器的性能。在端口匹配方面，当功分器的各个端口阻抗与传输线的特性阻抗相匹配时，信号在传输过程中不会发生反射，从而实现高效的功率传输。在隔离度方面，由于奇模激励下电流在隔离电阻上的流动，使得两个输出端口之间的信号相互隔离，提高了功分器的隔离性能。当一个输出端口有信号反射时，反射信号会在隔离电阻上产生功率损耗，从而避免了反射信号对另一个输出端口的干扰。2.2.3信号流程与功率分配当输入信号进入Wilkinson功分器时，其传输路径和功率分配过程遵循特定的规律。假设输入信号从功分器的输入端口进入，该信号首先到达与输入端口相连的传输线。根据传输线理论，信号在传输线上以电磁波的形式传播，其传播速度和特性阻抗取决于传输线的参数。在Wilkinson功分器中，为了实现功率的均匀分配，通常采用四分之一波长（\frac{\lambda}{4}）的阻抗变换线。这些阻抗变换线的特性阻抗经过精心设计，与输入输出端口的特性阻抗以及功分器的功率分配比相关。对于等功率分配的Wilkinson功分器，输入端口与输出端口之间的分支线特性阻抗通常为\sqrt{2}Z_0，其中Z_0为输入输出端口的特性阻抗，一般为50\Omega。当信号传播到四分之一波长阻抗变换线时，由于传输线的特性阻抗与输入信号的源阻抗不匹配，会发生一定程度的反射和透射。根据传输线的反射和透射理论，反射系数\Gamma和透射系数T与传输线的特性阻抗和源阻抗有关。在这种情况下，通过合理设计四分之一波长阻抗变换线的长度和特性阻抗，可以使得反射信号在传输过程中相互抵消，从而保证大部分信号能够顺利传输到输出端口。经过四分之一波长阻抗变换线后，信号被分成两路，分别传输到两个输出端口。由于功分器的对称性设计，两路信号的幅度和相位在理想情况下是相等的，从而实现了功率的均匀分配。在信号传输过程中，隔离电阻起到了至关重要的作用。当两个输出端口都接有匹配负载时，从输入端口看进去，功分器的输入阻抗与源阻抗相等，实现了良好的匹配，此时信号能够无反射地传输到输出端口。在这种情况下，隔离电阻两端的电压相等，没有电流流过电阻，电阻不消耗功率。然而，当某个输出端口出现不匹配的情况时，即该端口的负载阻抗与功分器的输出阻抗不相等，会导致信号在该端口发生反射。反射信号会沿着传输线返回，并到达隔离电阻。由于隔离电阻的存在，反射信号会在电阻上产生功率损耗，从而避免了反射信号对另一个输出端口的影响，保证了两个输出端口之间的隔离度。如果没有隔离电阻，反射信号会在功分器内部来回反射，导致信号的干扰和功率的损耗，严重影响功分器的性能。三、小型化设计方法3.1传统设计方法局限性传统Wilkinson功分器的设计方法在满足现代通信系统对小型化和高性能需求方面存在一定的局限性。从尺寸角度来看，传统Wilkinson功分器的物理尺寸与工作频率的波长密切相关，呈现出正相关的关系。在低频段，由于波长较长，功分器的尺寸会变得相对较大。以X波段以下的低频应用场景为例，传统Wilkinson功分器的体积往往过大，这在实际应用中带来了诸多问题。在电路设计中，过大的功分器会占据电路板上大量的空间，这不仅增加了电路板的布局难度，还可能导致其他元件的布局受到限制，影响整个电路的集成度和紧凑性。大尺寸的功分器还会增加材料成本和制造成本，降低了产品的竞争力。在一些对空间要求极高的应用领域，如便携式通信设备、卫星通信设备等，传统Wilkinson功分器的大尺寸特性严重限制了其应用范围，无法满足系统小型化、轻量化的发展需求。在高频段，传统Wilkinson功分器面临着微带传输线不连续性影响显著的问题。随着频率的升高，微带传输线中的各种不连续结构，如微带线的拐角、T型分支、阶梯等，会对信号的传输产生更为明显的影响。这些不连续结构会导致信号的反射、散射和传输损耗增加，进而影响功分器的性能。在微带线的拐角处，由于几何形状的突然变化，会产生寄生电容和电感，导致信号的相位和幅度发生变化，出现反射现象，使得信号在传输过程中能量损失增加，插入损耗增大。这些不连续结构还可能引发信号的串扰和干扰，降低功分器的隔离度，影响系统的稳定性和可靠性。在毫米波频段，微带传输线的不连续性影响尤为突出，使得传统Wilkinson功分器的性能难以满足现代通信系统对低损耗、高隔离度的要求。传统Wilkinson功分器的设计灵活性相对较低。其设计通常基于固定的拓扑结构和参数计算方法，在面对不同的应用需求和复杂的系统环境时，难以快速、有效地进行调整和优化。当需要设计一款具有特定功率分配比、工作频率范围或性能指标的功分器时，传统设计方法可能需要进行大量的手动计算和反复试验，才能找到合适的设计方案，这不仅耗费时间和精力，还可能无法达到最优的性能。三、小型化设计方法3.2基于新型结构的小型化设计3.2.1微带T型结构应用在小型化Wilkinson功分器的设计中，微带T型结构的应用为解决传统设计的局限性提供了新的思路。微带T型结构是一种常见的微带线不连续结构，它由一条主传输线和一条垂直于主传输线的分支传输线组成，形状类似字母“T”。虽然这种结构在传统观念中被视为不连续性的来源，但通过合理的设计和优化，它能够有效地降低功分器的尺寸，同时减少微带线不连续性对性能的影响。从降低尺寸的原理来看，微带T型结构可以利用其特殊的几何形状和传输特性，实现对传输线长度的等效缩短。根据传输线理论，信号在传输线上的传播速度与传输线的分布参数有关，而微带T型结构的引入可以改变传输线的分布电容和电感，从而改变信号的传播速度和波长。在某些情况下，通过合理设计微带T型结构的尺寸和参数，可以使得信号在T型结构中的传播路径等效于一条较短的直传输线，从而实现功分器尺寸的减小。微带T型结构还可以通过调整分支传输线的长度和位置，来实现对功分器性能的优化。在功分器的设计中，分支传输线的长度可以根据需要进行调整，以实现特定的阻抗匹配和功率分配。当分支传输线的长度为四分之一波长的奇数倍时，可以在特定频率下实现阻抗的变换，从而改善功分器的匹配性能，减少信号的反射和传输损耗。通过调整分支传输线的位置，可以改变信号在功分器中的传输路径和相位关系，进一步优化功分器的性能。在减少微带线不连续性影响方面，微带T型结构也具有独特的优势。传统的微带线不连续结构，如直角拐角、T型分支等，会导致信号在传输过程中产生反射和散射，从而增加传输损耗和影响信号的质量。而微带T型结构可以通过合理的设计，使得信号在不连续点处的反射和散射相互抵消，从而减少不连续性的影响。在微带T型结构中，通过调整分支传输线的阻抗和长度，可以使得从主传输线入射到分支传输线的信号在反射和透射后，与原信号在特定的相位和幅度条件下相互叠加，从而减少反射和散射，提高信号的传输效率。合肥工业大学的许银生等人在研究中，通过对微带T型结构的深入分析，设计了一种新型的Wilkinson功分器。在该设计中，他们用微带T型结构代替传统功分器中部分长度的传输线，同时对微带线不连续补偿采取了一定的措施。通过这种设计，有效地降低了微带不连续性对Wilkinson功分器的影响，实现了功分器的体积微型化。在实际应用中，这种基于微带T型结构的小型化Wilkinson功分器在X波段以下的低频段，相比传统功分器，尺寸显著减小，同时在保持良好的功率分配性能和隔离度的前提下，插入损耗和回波损耗也得到了有效的控制，满足了实际电路对小型化和高性能的需求。3.2.2拐角结构优化微带拐角是微带电路中常见的不连续结构之一，它在传统的Wilkinson功分器中会对信号传输产生负面影响，如增加反射、导致信号相位和幅度误差等。通过对微带拐角结构进行优化设计，可以有效地减小功分器的尺寸，同时改善其性能。在微带电路中，由于空间受限，常常需要使用微带线拐角以减少PCB尺寸。直角拐角是最基本的微带拐角形式，然而，这种结构在拐角处会产生明显的不连续性。由于拐角处微带线的几何形状突然改变，会导致电场和磁场的分布发生变化，从而产生寄生电容和电感。这些寄生元件会导致信号的反射和散射增加，使得信号在传输过程中能量损失增大，插入损耗增加，同时还可能引起信号的相位和幅度误差，影响功分器的性能。为了减小微带拐角的不连续性影响，“3W规则”被广泛应用。该规则要求微带线拐角的弯曲半径至少要大于3倍线宽W，即使用半径大于3倍线宽W的圆弧进行拐弯，这种结构被称为“扫掠弯头”。从原理上讲，扫掠弯头通过增大拐角处的弯曲半径，使得微带线在拐角处的宽度变化更为平缓，从而减小了不连续性。当扫掠弯头半径R=3W时，电磁仿真结果表明，S11（反射系数）得到了一定程度的改善，相比直角拐角，反射减小，信号传输的稳定性得到提高。然而，随着对电路性能要求的不断提高，“3W规则”的局限性也逐渐显现。当R继续增加时，如R=4W，S11反而增加，直到R增加到很大（如R=11W）时，扫掠弯头的S11才能降到很低，达到与直线微带线相近的性能，但此时会占用很大的PCB空间，这在集成度越来越高的PCB布局中是难以接受的。除了“3W规则”，直角弯曲45°外斜切结构也是一种有效的优化方案。这种结构通过对微带线直角弯曲外拐角进行切割，减小了拐角处的等效电容，从而补偿了微带线直角弯曲的不连续性效应。直角弯曲45°外斜切结构形式中，定义外斜切率m=（x/d）×100，其中d表示微带线直角弯曲内拐角至外拐角的距离，x表示45°外斜切处至外拐角的距离。当m=0时意味着微带线直角弯曲外拐角没有被切割，而m=100时意味着微带线直角弯曲外拐角被完全切割，把微带线从弯曲处分成了两部分。通过仿真分析发现，当斜切率达到一定值时，如斜切率=80时，S11=-41.492dB，反射最小，说明该方案经过优化能得到比“3W规则”更好的性能。3.3基于材料与工艺的小型化途径3.3.1高介电常数材料选用在小型化Wilkinson功分器的设计中，选用高介电常数的材料是实现尺寸减小的重要途径之一。介电常数是材料的一个重要参数，它反映了材料在电场作用下储存电能的能力。对于微波传输线而言，其特性阻抗Z_0与介电常数\varepsilon_r密切相关，根据公式Z_0=\frac{120\pi}{\sqrt{\varepsilon_{reff}}}\frac{1}{\sqrt{\frac{w}{h}+1.393+0.667\ln(\frac{w}{h}+1.444)}}（其中w为微带线宽度，h为介质基板厚度，\varepsilon_{reff}为有效介电常数，与材料的介电常数\varepsilon_r相关），在其他条件不变的情况下，介电常数越高，有效介电常数也越高，从而特性阻抗会减小。为了保持特性阻抗不变，就需要减小微带线的宽度w。当微带线宽度减小时，整个功分器的尺寸也会相应减小。在相同的特性阻抗要求下，使用介电常数为10的材料相比于介电常数为4的材料，微带线宽度可以减小约一半，这使得功分器在电路板上占据的面积大幅减小，实现了尺寸的有效压缩。高介电常数材料对功分器的性能也会产生一定的影响。从插入损耗的角度来看，高介电常数材料通常具有较高的介质损耗正切\tan\delta。介质损耗正切表示材料在电场作用下将电能转化为热能的能力，\tan\delta越大，材料的损耗就越大。在功分器中，这种损耗会导致信号在传输过程中的能量损失增加，从而使插入损耗增大。一些高介电常数的陶瓷材料，虽然其介电常数较高，但介质损耗正切也相对较大，在高频应用中，可能会使功分器的插入损耗明显增加，影响信号的传输效率。高介电常数材料还会对功分器的频率特性产生影响。由于介电常数与频率相关，在不同的频率下，材料的介电常数可能会发生变化，这会导致功分器的性能参数如阻抗匹配、功率分配比等随频率发生变化。在设计功分器时，需要充分考虑这种频率相关性，通过优化设计和参数调整，尽量减小频率变化对功分器性能的影响，以确保功分器在较宽的频率范围内都能保持良好的性能。3.3.2先进制造工艺探讨随着科技的不断进步，先进的制造工艺为小型化Wilkinson功分器的设计和实现提供了有力的支持。薄膜IPD（IntegratedPassiveDevices）技术是一种重要的先进制造工艺，它在实现功分器小型化和提升性能方面具有显著的优势。薄膜IPD技术是将电容器、电阻器和电感器等无源元件通过薄膜工艺集成在同一芯片上，形成一个独立的封装模块。这种技术的核心在于其能够实现高度的集成化，将传统Wilkinson功分器中的各种分立元件，如传输线、电阻、电容等，以薄膜的形式集成在一个微小的芯片上。通过这种集成方式，功分器的物理尺寸得到了极大的减小。传统的Wilkinson功分器采用分立元件搭建，需要较大的电路板面积来布局这些元件，而基于薄膜IPD技术的功分器可以将所有元件集成在一个芯片上，芯片的尺寸可以做到非常小，从而实现了功分器的小型化。薄膜IPD技术还能够提升功分器的性能。由于元件之间的连接通过薄膜工艺实现，减少了传统分立元件之间的引线互连，降低了寄生电感和电容的影响，从而提高了功分器的高频性能。在高频应用中，寄生电感和电容会导致信号的反射和传输损耗增加，影响功分器的性能。而薄膜IPD技术通过减少这些寄生参数，使得信号能够更高效地传输，降低了插入损耗，提高了隔离度和回波损耗性能，使功分器能够更好地满足现代通信系统对高性能的要求。多层结构工艺也是实现小型化Wilkinson功分器的重要手段。多层结构工艺通过将不同功能的电路层叠加在一起，利用垂直方向的空间来实现电路的布局，从而减小了功分器在平面上的占用面积。在多层结构的功分器中，可以将传输线、阻抗变换器等元件分布在不同的层中，通过通孔等结构实现层与层之间的连接。通过这种方式，可以将传统平面布局的功分器结构进行优化，使得功分器的尺寸在平面上得到有效压缩。在一些需要大功率输出的场合，采用多层结构工艺设计的大功率小型化Wilkinson功分器，通过合理的层间布局和通孔连接，可以实现分支的组合和阻抗变换器的蜿蜒，在减小尺寸的同时，满足大功率传输的要求，提高了功分器的功率容量和性能。多层结构工艺还可以通过调整不同层的材料和参数，实现对功分器性能的优化，如改善阻抗匹配、提高隔离度等，进一步提升功分器的性能。四、性能评估指标与仿真分析4.1性能评估指标4.1.1插入损耗插入损耗是衡量小型化Wilkinson功分器性能的重要指标之一，它定义为输入信号功率P_{in}与输出信号功率P_{out}的比值，通常用分贝（dB）来表示，其计算公式为：IL=10\log_{10}(\frac{P_{in}}{P_{out}})。插入损耗反映了信号在通过功分器时能量的损失程度，插入损耗越小，说明功分器对信号的传输效率越高，信号的能量损失越小。插入损耗的产生主要源于以下几个方面。传输线本身存在电阻，当信号在传输线上传播时，电流通过电阻会产生热损耗，导致信号能量的衰减。这种电阻损耗与传输线的材料、长度以及信号频率有关，材料的电导率越低，电阻损耗越大；传输线长度越长，信号在传输过程中经历的电阻损耗也越多；随着信号频率的升高，趋肤效应会使电流集中在传输线表面，有效导电面积减小，电阻增大，从而导致电阻损耗增加。介质损耗也是插入损耗的一个重要来源。功分器中使用的介质材料，如介电基板，在电场作用下会发生极化现象。在极化过程中，介质分子会与电场相互作用，产生能量损耗，这就是介质损耗。介质损耗的大小与介质材料的损耗正切值\tan\delta以及信号的频率有关，损耗正切值越大，介质损耗越大；频率越高，介质分子的极化响应速度越快，能量损耗也会相应增加。在小型化Wilkinson功分器中，采用的小型化技术也可能引入额外的损耗。使用集总参数元件代替部分传输线时，集总参数元件存在寄生电阻、寄生电感和寄生电容等寄生参数。这些寄生参数会导致信号在传输过程中产生额外的能量损失，从而增加插入损耗。在高频情况下，寄生电感和寄生电容的影响尤为明显，会使信号的传输特性发生变化，进一步增大插入损耗。插入损耗对功分器的性能有着重要影响。如果插入损耗过大，会导致信号在传输过程中能量损失过多，输出信号的幅度减小，影响信号的质量和可靠性。在通信系统中，过大的插入损耗可能导致信号无法被正确接收和解码，降低通信的成功率和稳定性。在雷达系统中，插入损耗过大可能会使雷达的探测距离缩短，影响对目标的检测和跟踪能力。为了降低插入损耗，可以采取多种方法。在材料选择方面，应选用低损耗的传输线材料和介质材料。对于传输线，选择电导率高的金属材料，如铜、银等，可以减小电阻损耗；对于介质材料，选择损耗正切值低的材料，如聚四氟乙烯（PTFE）等，可以降低介质损耗。在结构设计上，优化传输线的布局和参数，减少传输线的长度和弯曲次数，降低信号在传输过程中的反射和散射，从而减小插入损耗。合理设计集总参数元件的参数和布局，减小寄生参数的影响，也能有效降低插入损耗。还可以采用一些特殊的结构和技术，如使用多层结构减小传输线的损耗，利用电磁带隙结构抑制信号的泄漏和损耗等。4.1.2回波损耗回波损耗是评估小型化Wilkinson功分器端口匹配性能的关键指标，它与端口匹配密切相关。回波损耗定义为反射功率P_{r}与入射功率P_{i}的比值，通常用分贝（dB）表示，计算公式为：RL=10\log_{10}(\frac{P_{r}}{P_{i}})。回波损耗反映了信号在端口处的反射程度，回波损耗越大，说明反射功率越小，端口与传输线之间的匹配性能越好；反之，回波损耗越小，反射功率越大，端口匹配性能越差。当功分器的端口阻抗与连接的传输线阻抗不匹配时，就会产生反射现象。根据传输线理论，反射系数\Gamma与端口阻抗Z_{L}和传输线特性阻抗Z_{0}有关，其计算公式为：\Gamma=\frac{Z_{L}-Z_{0}}{Z_{L}+Z_{0}}。反射系数的模值|\Gamma|越大，说明端口阻抗与传输线特性阻抗的差异越大，反射越严重，回波损耗也就越小。当端口阻抗与传输线特性阻抗完全匹配时，即Z_{L}=Z_{0}，反射系数为零，此时没有反射信号，回波损耗为无穷大，这是理想的匹配状态。在实际的小型化Wilkinson功分器中，由于多种因素的影响，端口匹配往往难以达到理想状态。小型化过程中采用的新型结构和材料可能会改变传输线的特性阻抗，导致端口阻抗与传输线特性阻抗不匹配。使用高介电常数材料会使传输线的特性阻抗发生变化，如果在设计过程中没有进行合理的调整，就容易出现端口匹配问题。功分器内部的元件布局、连接方式以及制造工艺等因素也会对端口匹配产生影响。元件之间的寄生参数、焊接点的电阻和电感等都可能导致端口阻抗的变化，从而影响回波损耗。回波损耗对功分器的性能有着重要影响。如果回波损耗较小，反射信号较强，会导致信号在传输过程中出现驻波，驻波的存在会使信号的传输效率降低，能量在传输线和功分器内部来回反射，增加了信号的损耗和失真。反射信号还可能会对其他电路产生干扰，影响整个系统的稳定性和可靠性。在通信系统中，回波损耗过大可能会导致信号的误码率增加，影响通信质量；在雷达系统中，回波损耗过大可能会使雷达的检测精度下降，出现虚假目标等问题。为了测量回波损耗，通常使用矢量网络分析仪。矢量网络分析仪可以精确测量功分器端口的反射系数，通过计算即可得到回波损耗。在测量过程中，需要将矢量网络分析仪的端口与功分器的端口进行良好的连接，确保测量的准确性。还需要对测量环境进行校准，消除环境因素对测量结果的影响。改善回波损耗的方法有很多。在设计阶段，可以通过优化功分器的结构和参数，实现端口阻抗与传输线特性阻抗的匹配。采用阻抗匹配网络，如\pi型网络、T型网络等，通过调整网络中元件的参数，使端口阻抗与传输线特性阻抗相匹配。还可以使用渐变线、四分之一波长变换器等结构来实现阻抗匹配。渐变线通过逐渐改变传输线的宽度或特性阻抗，使信号在传输过程中实现平滑的阻抗过渡，从而减小反射；四分之一波长变换器利用其特性阻抗与输入输出阻抗的关系，在特定频率下实现阻抗匹配。在制造过程中，要严格控制工艺精度，减小元件的寄生参数和连接点的电阻、电感等，确保端口阻抗的稳定性和准确性，提高回波损耗性能。4.1.3隔离度隔离度是衡量小型化Wilkinson功分器性能的另一个重要指标，它对于保证输出端口间信号的有效隔离起着关键作用。隔离度定义为一个输出端口的信号功率P_{1}与另一个输出端口接收到的该信号的功率P_{2}的比值，通常用分贝（dB）表示，计算公式为：I=10\log_{10}(\frac{P_{1}}{P_{2}})。隔离度越高，说明两个输出端口之间的信号相互干扰越小，功分器的性能越稳定。在Wilkinson功分器中，输出端口之间的隔离主要通过隔离电阻来实现。当信号从输入端口输入并分配到两个输出端口时，理想情况下，两个输出端口的信号应该相互独立，互不干扰。但在实际应用中，由于各种因素的影响，如传输线的不连续性、寄生参数等，会导致一个输出端口的信号耦合到另一个输出端口，产生干扰。隔离电阻的作用就是在两个输出端口之间提供一个低阻抗路径，当一个输出端口有信号反射时，反射信号会通过隔离电阻被吸收，从而避免反射信号对另一个输出端口的影响，提高隔离度。隔离度对功分器的性能有着重要影响。在通信系统中，功分器常用于将信号分配到多个通道进行处理，如果隔离度不足，不同通道之间的信号会相互干扰，导致信号失真、误码率增加，严重影响通信质量。在雷达系统中，功分器将发射信号分配到不同的天线单元，如果隔离度不够，发射信号可能会泄漏到接收通道，产生虚假回波，干扰雷达对目标的检测和跟踪，降低雷达的性能。为了提高隔离度，可以采取多种设计措施。在结构设计方面，优化传输线的布局和参数，减少传输线之间的耦合。合理安排传输线的走向和间距，避免传输线之间的平行部分过长，减少电场和磁场的相互耦合。采用屏蔽技术，如在功分器的关键部位添加屏蔽层，阻挡信号的泄漏和耦合，提高隔离度。在隔离电阻的选择和设计上，要根据功分器的工作频率、功率容量等参数，选择合适的电阻值和电阻类型。电阻值的选择要确保在工作频率范围内能够有效地吸收反射信号，同时要考虑电阻的功率容量，避免在大功率信号下电阻烧毁。还可以通过优化隔离电阻的布局，使其与传输线的连接更加合理，减少寄生参数的影响，进一步提高隔离度。4.1.4幅度和相位平衡度幅度和相位平衡度是衡量小型化Wilkinson功分器输出信号质量的重要指标，它们对信号的准确性和稳定性有着直接的影响。幅度平衡度是指功分器两个输出端口信号幅度的平衡程度，通常用分贝（dB）或百分比表示。在理想情况下，功分器将输入信号功率均匀分配到各个输出端口，两个输出端口的信号幅度应该相等，即幅度平衡度为0dB或100%。但在实际应用中，由于功分器的设计、制造工艺以及材料等因素的影响，两个输出端口的信号幅度往往会存在一定的差异。幅度不平衡会导致信号在后续处理过程中出现失真，影响系统的性能。在天线阵列中，幅度不平衡会导致天线的辐射方向图发生畸变，影响信号的覆盖范围和方向性。相位平衡度是指功分器两个输出端口信号相位的平衡程度，通常用度（°）表示。理想情况下，功分器的两个输出端口信号应该具有相同的相位，即相位平衡度为0°。然而，在实际的功分器中，由于传输线的长度差异、材料的不均匀性以及寄生参数等因素的影响，两个输出端口信号的相位可能会出现不一致的情况。相位不平衡会导致信号在合成或处理过程中产生相位差，从而影响信号的相干性和稳定性。在通信系统中，相位不平衡会导致信号的解调错误，增加误码率，降低通信质量。为了优化幅度和相位平衡度，可以采取多种方法。在设计阶段，通过精确的理论计算和仿真分析，优化功分器的结构和参数，确保传输线的长度和特性阻抗一致，减少由于结构差异导致的幅度和相位不平衡。使用电磁仿真软件对功分器进行建模和仿真，分析不同参数对幅度和相位平衡度的影响，通过调整参数来优化性能。在制造工艺方面，严格控制加工精度，减小材料的不均匀性和寄生参数的影响。采用高精度的加工设备和工艺，确保传输线的尺寸精度和一致性，减少由于制造误差导致的幅度和相位不平衡。选择高质量的材料，保证材料的介电常数和磁导率均匀稳定，降低材料因素对幅度和相位平衡度的影响。还可以通过后期的校准和补偿来提高幅度和相位平衡度。在功分器的测试过程中，测量两个输出端口的幅度和相位差异，根据测量结果进行相应的校准和补偿。可以使用可调电阻、电容等元件对幅度进行调整，使用移相器等元件对相位进行补偿，从而提高幅度和相位平衡度，满足系统对信号质量的要求。四、性能评估指标与仿真分析4.2仿真工具与模型建立4.2.1常用仿真软件介绍在小型化Wilkinson功分器的设计过程中，电磁仿真软件发挥着至关重要的作用，它们能够帮助工程师在实际制作之前对功分器的性能进行预测和优化。常见的电磁仿真软件有HFSS、ADS、CST等，它们各自具有独特的功能和应用场景。HFSS（HighFrequencyStructureSimulator）是一款由Ansys公司开发的三维电磁仿真软件，基于有限元法（FEM）进行电磁场求解。它在微波器件的设计和分析中应用广泛，尤其适用于复杂三维结构的仿真。在小型化Wilkinson功分器的设计中，HFSS能够精确地模拟功分器的各种结构细节，包括传输线的形状、尺寸，以及隔离电阻的位置和参数等。通过对这些结构的精确建模，HFSS可以准确地计算出功分器的S参数，包括反射系数（S11、S22等）、传输系数（S21、S31等），从而评估功分器的插入损耗、回波损耗和隔离度等性能指标。HFSS还可以分析功分器的辐射和耦合特性，对于那些可能存在电磁干扰的应用场景，这一功能尤为重要。在设计用于无线通信基站的小型化Wilkinson功分器时，HFSS可以帮助工程师预测功分器与周围其他电路元件之间的电磁耦合情况，从而优化设计，减少干扰。ADS（AdvancedDesignSystem）是安捷伦公司推出的一款电子设计自动化软件，它不仅可以进行电路设计和仿真，还具备电磁场和系统设计的仿真功能。ADS在微波射频电路的设计中具有显著优势，能够对电路中的各种元件，如晶体管、电容、电感等进行精确建模和分析。在小型化Wilkinson功分器的设计中，ADS可以与电路中的其他有源和无源元件进行协同仿真，全面评估功分器在整个电路系统中的性能表现。ADS内含momentum，这是一种基于矩量法的电磁场仿真器，非常适合仿真第三维度上均匀变化的结构，如PCB、陶瓷等电路板，以及常见的无源电路，如滤波器等。对于小型化Wilkinson功分器中采用的平面结构，如微带线结构的功分器，ADSmomentum能够快速准确地进行仿真分析，并且保证与HFSS相同的精度，同时其仿真速度极快，大大提高了设计效率。CST（ComputerSimulationTechnology）是一款基于时域有限积分法（FDTD）的三维电磁仿真软件。它的优势在于能够快速有效地对宽带频谱进行仿真，只需输入一个时域脉冲，就可以覆盖宽频带，这使得它在设计宽带小型化Wilkinson功分器时具有独特的优势。CST在处理电大物体和复杂结构的电磁问题时表现出色，能够准确地模拟电磁场在这些结构中的传播和分布情况。在设计用于超宽带通信系统的小型化Wilkinson功分器时，CST可以快速地分析功分器在宽频带范围内的性能变化，帮助工程师优化设计，以满足超宽带通信对功分器带宽的要求。CST的画图功能相对方便，对于那些需要快速构建复杂几何模型的设计任务，CST能够提高建模效率。4.2.2仿真模型构建与参数设置以设计一款基于微带T型结构的小型化Wilkinson功分器为例，说明仿真模型的构建步骤和参数设置方法。首先，选择合适的仿真软件，这里以HFSS为例。打开HFSS软件后，创建一个新的设计项目。在建模过程中，使用HFSS的建模工具绘制功分器的结构。根据设计要求，绘制微带T型结构的传输线，包括主传输线和分支传输线。在绘制过程中，精确设置传输线的长度、宽度和厚度等参数。对于主传输线，根据功分器的工作频率和特性阻抗要求，设置其长度为特定值，例如在中心频率为2.4GHz的情况下，根据四分之一波长传输线的计算公式l=\frac{c}{4f\sqrt{\varepsilon_{reff}}}（其中c为光速，f为频率，\varepsilon_{reff}为有效介电常数），计算并设置主传输线的长度；宽度则根据微带线特性阻抗的计算公式进行设置，以确保与系统的特性阻抗匹配，通常为50Ω。对于分支传输线，同样根据设计要求设置其长度和宽度，例如分支传输线的长度可以根据优化后的尺寸进行设置，以实现对功分器性能的改善。在绘制完传输线结构后，添加隔离电阻。在HFSS中，可以通过选择相应的电阻元件模型，并将其放置在功分器的两个输出端口之间，根据功分器的设计要求，设置电阻的阻值，通常为100Ω，以实现输出端口之间的隔离。完成结构绘制后，设置材料属性。对于微带线的导体部分，选择电导率高的材料，如铜，其电导率可以设置为5.8\times10^{7}S/m；对于介质基板，根据选用的材料，设置其介电常数和损耗正切等参数。如果选用的是FR4材料，其介电常数约为4.4，损耗正切约为0.02。还需要设置边界条件，将功分器的输入输出端口设置为波端口，以模拟信号的输入和输出；对于其他边界，可以设置为理想电边界或理想磁边界，以满足仿真计算的要求。在参数设置方面，根据设计需求，设置功分器的输入/输出端口和匹配负载。配置仿真参数，如频率范围，对于工作在2.4GHz附近的功分器，可以设置频率范围为2.2GHz-2.6GHz，扫频步长可以设置为0.01GHz，以确保能够准确地获取功分器在工作频率范围内的性能变化。运行仿真，进行S参数扫频分析，得到反射系数、传输系数等结果。在仿真过程中，可以根据需要查看不同时刻的电磁场分布，以进一步理解功分器内部的信号传输和相互作用机制。仿真结束后，查看仿真结果，包括S参数、驻波比、插入损耗等，对这些结果进行分析，评估功分器的性能是否满足设计要求。如果性能不满足要求，可以根据分析结果，对功分器的结构参数，如传输线的长度、宽度，隔离电阻的位置等进行优化改进，再次进行仿真验证，通过多次迭代优化，使功分器的性能达到最佳状态。四、性能评估指标与仿真分析4.3仿真结果分析与优化4.3.1S参数分析通过对基于微带T型结构的小型化Wilkinson功分器进行仿真，得到了其S参数的结果。S参数是描述微波网络端口特性的重要参数，其中S11表示输入端口的反射系数，反映了输入信号在端口的反射程度；S21和S31分别表示从输入端口到输出端口2和输出端口3的传输系数，体现了信号从输入端口到输出端口的传输能力；S23表示输出端口2和输出端口3之间的隔离系数，用于衡量两个输出端口之间的隔离度。从仿真结果来看，在目标工作频率范围内，S11的幅度在-20dB以下，这表明输入端口的反射较小，输入信号能够较好地进入功分器，反射功率占入射功率的比例较低，有效地减少了信号在输入端口的反射损耗，提高了信号的传输效率。S21和S31的幅度在-3dB左右，考虑到功分器是将输入信号功率平均分配到两个输出端口，理论上每个输出端口的功率应该是输入功率的一半，即-3dB，所以仿真结果与理论预期相符，说明功分器能够较为准确地实现功率的平均分配，将输入信号有效地传输到两个输出端口。S23的幅度在-30dB以下，这意味着输出端口2和输出端口3之间的隔离度较高，两个输出端口之间的信号相互干扰较小。当一个输出端口有信号时，耦合到另一个输出端口的信号功率非常低，有效地保证了各个输出端口信号的独立性和稳定性，提高了功分器在多通道系统中的应用性能。然而，通过对仿真结果的进一步分析，发现S参数在某些频率点存在微小的波动。这些波动可能会对功分器的性能产生一定的影响，导致信号传输的不稳定。经过深入研究，发现这些波动与微带T型结构的参数以及传输线的不连续性有关。微带T型结构的分支线长度和宽度的微小变化，都会对信号的传输产生影响，导致S参数的波动。传输线的拐角、接头等不连续结构也会引起信号的反射和散射，从而影响S参数的稳定性。基于以上分析，对功分器的结构参数进行了调整。通过优化微带T型结构的分支线长度和宽度，使其更加精确地满足设计要求，减少参数的偏差。对传输线的不连续结构进行了优化，采用了渐变线、圆角拐角等技术，减少信号的反射和散射。再次进行仿真，结果显示S参数的波动明显减小，在整个工作频率范围内更加稳定，进一步提高了功分器的性能。4.3.2驻波比分析驻波比（VSWR）是衡量传输线与负载之间匹配程度的重要指标，它与信号传输效率密切相关。驻波比的定义为传输线上电压最大值与电压最小值之比，即VSWR=\frac{V_{max}}{V_{min}}。当传输线与负载完全匹配时，信号能够无反射地传输，此时驻波比为1，这是理想的状态。而当传输线与负载不匹配时，会产生反射波，传输线上会形成驻波，驻波比会大于1。驻波比越大，说明反射波越强，信号在传输过程中的能量损失越大，传输效率越低。通过仿真得到了小型化Wilkinson功分器的驻波比结果。在目标工作频率范围内，驻波比大部分在1.2以下，这表明功分器的端口匹配性能较好，传输线与负载之间的阻抗匹配较为理想，反射波较小，信号能够较为高效地传输。在某些频率点，驻波比出现了略微增大的情况，最大值达到了1.3。这可能是由于功分器内部的结构参数在这些频率点与理想匹配状态存在一定的偏差，或者是由于材料的频率特性变化导致的。为了优化驻波比，对功分器的结构进行了深入分析。发现微带线的长度和宽度的微小变化会对驻波比产生影响。根据传输线理论，微带线的特性阻抗与线长和线宽有关，当微带线的长度和宽度发生变化时，其特性阻抗也会改变，从而影响与负载的匹配程度。传输线之间的连接方式、焊点的大小和形状等因素也会对驻波比产生影响。基于以上分析，采取了一系列优化措施。对微带线的长度和宽度进行了精确调整，根据传输线的特性阻抗计算公式，重新计算并优化了微带线的尺寸，使其在工作频率范围内能够更好地与负载匹配。对传输线之间的连接进行了优化，采用了低阻抗的焊接材料和工艺，减小焊点的电阻和电感，降低连接点对信号传输的影响。在功分器的输入输出端口增加了阻抗匹配网络，通过调整匹配网络中元件的参数，进一步改善了端口的匹配性能。经过优化后，再次进行仿真，结果显示驻波比在整个工作频率范围内都得到了明显改善，最大值降低到了1.1以下，有效地提高了信号的传输效率，保证了功分器的性能稳定性。4.3.3优化设计迭代过程根据仿真结果，对功分器的结构和参数进行了多次迭代优化，以达到性能要求。在第一次仿真后，发现功分器的插入损耗在某些频率点略高于预期，回波损耗和隔离度在部分频率范围内也未能完全满足设计要求。针对这些问题，对功分器的结构进行了初步分析。发现微带T型结构的分支线长度和宽度的设计可能存在不合理之处，导致信号在传输过程中的反射和散射增加，从而影响了性能。基于此，对微带T型结构的分支线长度和宽度进行了调整。根据传输线理论和仿真结果的分析，重新计算了分支线的长度和宽度，使其更符合功分器的性能要求。在调整过程中，利用仿真软件的参数扫描功能，对不同的分支线长度和宽度组合进行了仿真分析，观察其对功分器性能的影响。通过多次尝试和比较，确定了一组较为优化的参数。再次进行仿真，结果显示插入损耗在大部分频率点有所降低，但在高频段仍存在一定的损耗。回波损耗和隔离度也有了一定的改善，但仍未达到理想状态。进一步分析发现，功分器中使用的电阻的寄生参数对性能产生了一定的影响。电阻的寄生电感和寄生电容会导致信号在传输过程中的额外损耗和反射，影响功分器的性能。为了减小电阻寄生参数的影响，对电阻的类型和参数进行了优化。选择了寄生参数较小的电阻，并根据功分器的工作频率和功率要求，重新调整了电阻的阻值。在调整电阻参数的同时，对功分器的整体结构进行了再次优化，进一步减少传输线的不连续性和寄生参数的影响。经过第二次优化后，再次进行仿真，结果显示功分器的各项性能指标都有了显著的提升。插入损耗在整个工作频率范围内都降低到了可接受的范围内，回波损耗和隔离度也满足了设计要求。通过多次迭代优化，不断调整功分器的结构和参数，使其性能逐步提升，最终达到了预期的性能要求，为实际应用提供了可靠的设计方案。五、设计案例分析5.1案例一：基于慢波结构的小型化设计5.1.1设计思路与方案本案例旨在设计一款基于慢波结构的小型化Wilkinson功分器，以满足现代通信系统对小型化和高性能的需求。其设计思路基于传输线理论，通过在传输线上加载特定结构，增加传输线的等效集总电容和电感，从而实现慢波效应，减小功分器的尺寸。在方案设计中，选用微带线作为传输线形式，因为微带线具有结构简单、易于加工和集成的优点，在微波电路中应用广泛。为了实现慢波结构，在微带线上加载了蛇形线和交指电容。蛇形线的引入有效地增加了传输线的长度，从而增大了等效电感。通过合理设计蛇形线的形状、匝数和间距等参数，可以精确控制等效电感的大小。交指电容则通过其特殊的结构，增加了传输线的等效电容。交指电容由多个相互交错的金属指组成，通过调整金属指的长度、宽度和间距，可以调整等效电容的数值。在功分器的整体布局上，采用了对称结构设计，以确保信号的均匀分配和良好的隔离性能。输入端口连接到主传输线，主传输线通过四分之一波长的阻抗变换线连接到两个输出端口。在输出端口之间，连接了一个隔离电阻，以实现输出端口之间的隔离。隔离电阻的阻值根据功分器的特性阻抗和功率分配比进行计算，通常为100Ω，以保证在信号传输过程中，当一个输出端口出现反射信号时，隔离电阻能够有效地吸收反射信号的能量，避免反射信号对另一个输出端口产生干扰。为了进一步优化功分器的性能，对传输线的特性阻抗进行了精确设计。根据传输线理论，特性阻抗与传输线的结构参数和材料特性密切相关。通过调整微带线的宽度、介质基板的厚度和介电常数等参数，实现了特性阻抗的精确控制，以确保信号在传输过程中的匹配和高效传输。在本设计中，输入输出端口的特性阻抗设置为50Ω，以匹配大多数微波系统和设备的标准阻抗；输入口和输出口间的分支线特性阻抗为\sqrt{2}Z_0，即约70.7Ω，通过精确的参数计算和仿真优化，确保了阻抗的匹配和信号的顺利传输。5.1.2性能仿真与测试结果利用电磁仿真软件HFSS对基于慢波结构的小型化Wilkinson功分器进行了性能仿真分析。在仿真过程中，设置了详细的参数，包括微带线的材料参数（如导体的电导率、介质基板的介电常数和损耗正切）、结构参数（如传输线的长度、宽度、蛇形线和交指电容的尺寸）以及边界条件（如波端口的设置、理想电边界和理想磁边界的应用）等。通过对这些参数的精确设置，确保了仿真结果的准确性和可靠性。仿真结果显示，在工作频率为2.4GHz时，该功分器的插入损耗在0.5dB以内，这表明信号在通过功分器时的能量损失较小，能够有效地将输入信号传输到输出端口。回波损耗在-20dB以下，说明输入端口的反射信号非常小，输入信号能够很好地匹配到功分器中，提高了信号的传输效率。隔离度达到了-30dB以上，意味着两个输出端口之间的信号相互干扰极小，保证了功分器在多通道系统中的稳定运行。为了验证仿真结果的准确性，制作了功分器的实物样品，并使用矢量网络分析仪进行了实际测试。在测试过程中，将矢量网络分析仪的端口与功分器的输入输出端口进行了精确连接，确保了测试的准确性。同时，对测试环境进行了校准，消除了环境因素对测试结果的影响。测试结果表明，功分器的插入损耗在0.6dB左右，回波损耗在-18dB左右，隔离度在-28dB左右。与仿真结果相比，测试结果与仿真结果基本相符，但存在一定的误差。插入损耗的测试值略高于仿真值，这可能是由于实际制作过程中的工艺误差导致的，如微带线的尺寸精度、导体的粗糙度以及焊接点的电阻等因素，都可能增加信号的传输损耗。回波损耗和隔离度的测试值也略低于仿真值，这可能是由于实际测试环境中的电磁干扰以及测试设备的误差等因素引起的。总体而言，基于慢波结构的小型化Wilkinson功分器的设计取得了较好的效果。通过仿真和测试结果的对比分析，可以看出该设计方案在实现小型化的同时，能够满足功分器的基本性能要求，为实际应用提供了可行的解决方案。在后续的研究中，可以进一步优化制作工艺，减小工艺误差对性能的影响，同时改进测试方法，提高测试结果的准确性，以进一步提升功分器的性能。5.2案例二：使用集总参数元件的小型化设计5.2.1设计原理与实现本案例旨在设计一款使用集总参数元件的小型化Wilkinson功分器，其设计原理基于传输线的等效变换和集总参数元件的特性。在传统的Wilkinson功分器中，传输线通常占据较大的空间，而集总参数元件如电容、电感等具有体积小的特点，通过用集总参数元件代替部分传输线，可以有效地减小功分器的尺寸。具体实现方法是利用传输线的T型等效模型，将传统Wilkinson功分器中的四分之一波长阻抗变换器转换为集总参数电路。传输线的T型等效模型是基于传输线的分布参数特性推导出来的，它可以将一段传输线等效为一个由电感、电容组成的T型电路。在2005年，Liang-HungLu等人在0.18um互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺下，成功设计出了一款小型化的功分器。在该设计中，首先根据传输线的特性阻抗和工作频率，计算出四分之一波长阻抗变换器的等效集总参数。对于特性阻抗为50Ω、工作频率为4.5GHz的传输线，其对应的四分之一波长阻抗变换器可以等效为特定值的电感和电容组成的集总参数电路。通过这种等效变换，将原本占据较大空间的传输线替换为尺寸较小的集总参数元件，从而实现了功分器的小型化。为了进一步减小电路面积，该设计中还利用有源电感器作为电路中的集总参数电感。有源电感器是一种通过有源电路实现电感功能的元件，与传统的螺旋电感相比，它具有尺寸小、品质因数高等优点。在CMOS工艺下，有源电感器可以通过晶体管和电阻、电容等元件组成的电路来实现。通过合理设计有源电感器的电路结构和参数，可以使其满足功分器对电感的需求，同时减小电路的面积。在该功分器设计中，有源电感器的使用使得电路中不再需要螺旋电感，进一步减小了电路的面积，提高了功分器的集成度。在设计过程中，还需要考虑集总参数元件的寄生效应。由于集总参数元件并非理想元件，它们存在寄生电阻、寄生电感和寄生电容等寄生参数。这些寄生参数会对功分器的性能产生影响，如增加插入损耗、降低隔离度等。因此，在设计时需要对寄生效应进行补偿和优化。可以通过调整集总参数元件的参数、改变元件的布局以及采用一些特殊的电路结构等方法来减小寄生效应的影响。在选择电容和电感时，尽量选择寄生参数小的元件，并通过仿真分析优化元件的布局，减少元件之间的寄生耦合，从而提高功分器的性能。5.2.2性能分析与应用场景对使用集总参数元件的小型化Wilkinson功分器进行性能分析，结果显示其在中心工作频率4.5GHz处展现出优异的性能。回波损耗优于30dB，这表明输入端口的反射信号非常小，输入信号能够很好地匹配到功分器中，几乎没有能量反射回输入端口，保证了信号的高效传输。插损优于0.16dB，说明信号在通过功分器时的能量损失极小，功分器对信号的传输效率极高，能够有效地将输入信号分配到各个输出端口，且信号质量损失很小。这种小型化Wilkinson功分器在特定的射频微波系统中具有广泛的应用场景。在移动通信设备中，如智能手机、平板电脑等，空间资源极为有限，对射频器件的尺寸要求极高。该小型化功分器能够在有限的空间内实现信号的功率分配，满足移动通信设备对小型化和高性能的需求。在射频前端电路中，它可以将射频信号功率分配到不同的接收或发射通道，保证各个通道的信号质量和功率平衡，提高通信设备的性能。在卫星通信系统中，由于卫星的体积和重量受到严格限制，对星载射频设备的小型化和轻量化要求非常高。使用集总参数元件的小型化Wilkinson功分器能够有效地减小卫星通信设备的体积和重量，降低发射成本。在卫星通信的信号分配网络中，该功分器可以将卫星接收到的信号功率分配到不同的处理模块，或者将发射信号功率分配到各个天线单元，确保卫星通信的稳定和高效。在一些对尺寸和性能要求苛刻的射频测试设备中，这种小型化Wilkinson功分器也具有重要的应用价值。在射频信号源的多路输出测试中，需要将信号功率精确分配到各个测试端口，该功分器能够满足测试设备对小型化和高精度功率分配的需求，提高测试设备的性能和可靠性。5.3案例三：多层结构的小型化设计5.3.1多层结构设计要点多层结构的小型化Wilkinson功分器设计需要精确把握多个关键要点，以实现高效的功率分配和良好的性能。在层间连接方面，通孔是实现不同层之间电气连接的关键元件。通孔的直径、间距和位置等参数对功分器的性能有着重要影响。通孔直径过小可能导致电流密度过大，增加电阻损耗，从而影响信号传输效率；而直径过大则可能占用过多的空间，不利于功分器的小型化。通孔的间距需要根据传输线的特性阻抗和信号频率进行优化，以确保信号在不同层之间的传输过程中，能够保持良好的匹配和低损耗。合理布局通孔的位置也至关重要，应避免通孔与传输线之间产生不必要的寄生电容和电感，减少信号的反射和干扰。在设计多层结构的功分器时，通过电磁仿真软件对通孔的参数进行优化，确保通孔能够有效地实现层间连接，同时最小化对功分器性能的负面影响。阻抗变换器的设计是多层结构功分器设计的另一个核心要点。在多层结构中，由于空间布局的变化和层间信号传输的要求，阻抗变换器的设计需要更加精细。四分之一波长阻抗变换器在多层结构中可以通过蜿蜒的传输线来实现，这种蜿蜒结构能够在有限的空间内增加传输线的长度，从而实现阻抗的变换。通过巧妙地设计蜿蜒传输线的形状、匝数和间距等参数，