作者 | 你的汪譏 仿真秀專欄作者

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導讀：如果把通訊規劃協議比喻成交通紅綠燈、信息數據交換比喻成公路上飛馳的汽車，那么射頻作為傳統硬件在這個交通系統中起著重要的鋪路作用。微波無源器件作為通信系統的基石，直對著整個通信系統的各項性能指標有著重大影響。功分器可以將一路輸入信號的功率以一定的比例分配到各個支路上，是射頻微波系統中應用最為廣泛的器件之一，對整個射頻饋電網絡有著至關重要的影響。

一、功分器概念

功分器的核心功能就是將一路輸入信號的功率按照一定的比例分配到各個輸出的支路中，并且需要輸出端口之間有足夠的隔離度，避免輸出端口之間相互影響。自上世紀40年代功分器首次被發明以來，科研人員為了設計出性能更加優異的功分器做了一系列嘗試，設計出了許多性能優異的功分器。常見的類型主要有 Wilkinson 功分器、Bagley多邊形功分器和Gysel功分器等。在實際的射頻微波通信系統中，Wilkinson 功分器由于優異的性能獲得了極為廣泛的應用，成為使用數量最多的微波無源器件之一，即使是現在后續大部分對功分器的改進研究均是針對傳統 Wlikinson 功分器進行改進。

Wlikinson功分器起源：1960年E.J.Wilkinson首次發明了 Wilkinson 電阻性功分器，相比于T型結具有高隔離特性。

1968年S.B.COHN 首次提出了采用多級階梯阻抗變換器拓展Wilkinson功分器帶寬，通過偶奇模分析法，來對電路實現寬頻帶的原理進行了解釋，同時給出了具體的設計方法和設計結果，后續的科研人員只需要查表，即可輕松設計出性能優秀的寬頻帶功分器。在四階時

Wilkinson 功分器的帶寬甚至可以超過 10:1，可以滿足絕大多數通信系統的要求。

1977 年，NOBUO NAGAI 首次提出了平面結構的功分器，隨著印刷電路技術的不斷進步，技術上采用平面結構的傳輸線與隔離電阻取代了之前的笨重的同軸結構，易于加工和集成的特點使得PCB版型功分器得到了廣泛應用。

二、功分器近幾年相關進展

1、利用慢波結構的功分器

實現平面慢波結構傳輸線的方式主要是在微帶、共面波導、基片集成波導形式的傳輸線上加載蛇形線、交指電容、螺旋電感、缺陷地結構、電磁帶隙結構等，以增加傳輸線上的等效集總電容和電感，從而實現小型化。

例如在要實現一個 4:1 的 Wilkinson 功分器時需要阻抗為 158 歐姆的微帶線，對于常規的加工工藝來說實現 100 歐姆以上的微帶線都是極為困難，走線寬度非常細無法加工。2001年，Jong-Sik Lim等人利用傳統的Wilkinson 功分器拓撲結構和缺陷地（DGS）結構設計從而增加微帶線的特性阻抗的原理使得這種微帶線與傳統沒有 DGS 的微帶線相比在相同的導體寬度下有著更高的特性阻抗，進而突破加工工藝的物理限制。

一種DBG慢波結構的小型化功分器

2、使用集總參數元件或者開路枝節的功分器

此方法主要是將傳統 Wilkinson 的功分器中部分傳輸線用集總參數電路代替或者在電路中加入集總參數元件使得功分器小型化之后仍然可以得到理想的性能。

2005 年，Liang-Hung Lu 等人在 0.18um 互補金屬氧化物半導體（CMOS）工藝下設計出了一款小型化的功分器。在該設計中，首先利用傳輸線 T 型等效將傳統 Wilkinson 功分器的四分之一波長阻抗變換器轉換為集總參數電路，然后利用有源電感器作為電路中的集總參數電感。由于電路中沒有分布參數傳輸線和螺旋電感，電路的面積大大的減小。該結構在中心工作頻率 4.5GHz 處的回波損耗優于 30dB，插損優于 0.16dB，性能非常優異。

帶有有源電感的小型化功分器

2021 年，M.L.Laurenzid 等人采用低溫共燒陶瓷(LTCC)工藝設計了一種用于全球導航衛星系統的小型化雙頻功分器。與采用半導體化合物相比，LTCC也是一種極高介電常數低損耗的材料，不同的是無法在該襯底上做出晶體管結構，因此被用作小型化無源微波器件中。

一種采用 LTCC 工藝的小型化功分器

3、使用改進后的阻抗變換器

此種方法是將傳統功分器中的阻抗變換器用改進后的結構代替來實現功分器的小型化或減少集總RLC元件帶來的分布式參數效應。

2021 年，Nethini Weerathunge 等人利用階梯阻抗線和短截線設計了一款用于 MMIC 的小型化功分器，并且用一個電容網絡來提高輸出端口之間的隔離度。經過測量，在5GHz~43GHz

的頻帶范圍，該結構的回波損耗內優于 10dB，在 20.3GHz~43GHz 的頻帶范圍輸出端口間的隔離度優于 10dB。相較于傳統的 Wilkinson 功分器，該結構的尺寸減小了約57%。

用于 MMIC 的小型化功分器

4、使用先進工藝實現小型化和提高性能

此種方法主要是利用各種先進的工藝，將功分器的阻抗變換器進行蜿蜒或者分成多層結構，取代集總RLC元器件，使得功分器布局更加緊湊，從而減少電路面積。

2019 年，J.Tayebpour 等學者設計了一款工作在 VHF 頻段的大功率小型化 Wilkinson功分器。在該設計中，作者提出了一種結構緊湊的多層結構，該結構由兩個地平面和三個信號層組成，用通孔連接，兩個 Wilkinson 的分支在兩個不同的層中實現，并且在底層進行組合。功分器四分之一波長阻抗變換器被設計成了蜿蜒的傳輸線，有效的減小了電路的尺寸。由于電路中沒有無功集總元件，因此可以用于高功率場景。

一種多層結構的大功率小型化功分器

三、功分器的案例應用

案例一、不等分功分器應用

例如常用應用背景：無源天線陣列陣面綜合時按特定陣子功率配比做饋電網絡設計，即不等分功分器的應用。

1、假設有一個8陣子線陣做切比雪夫綜合，主副瓣電平比20dB

按照當前的幅度比，不等分功率分配器實現8端口饋電策略：

可以看出該饋電網絡是由任意功率配比的1分2功分器級聯得到，這類不等分功分器的Wilkinson拓撲結構和相關公式推導如下（功率比為k^2，電壓比為k)：

由于輸出端口完全隔離 ，隔離電阻R的電勢差為0：

（1）

由于端口間完全匹配，則R上無電勢差，因此滿足

求解（1）和（2）式

如果我們掌握了任意功率配比的1分2功分器設計方法，那么無源天線陣列在陣面綜合時的饋電網絡也可以輕松掌握。

案例二、兩路功分器設計仿真

再例如綜合一個工作于2.4-2.5GHz(覆蓋wifi低頻)的兩路功分器，要求寬帶內VSWR<1.3，功率配比1:2，隔離度 >20dB，端口阻抗為50歐姆，一般設計規則是利用電路拓撲得出理論數值、用ADS等路仿真軟件驗證理論、用CST HFSS等場仿真軟件驗證路的指標結果。達到合理一致性后打樣出版。

1、利用之前的推導結果對該理論拓撲做初步計算

2、使用ADS建立PCB板上的路仿真模型，并查看主路駐波、支路插損、隔離度、支路相位差等相關指標。可以看出分路損耗端口2是5dB、端口3是2dB，兩個支路幅度相差3dB對應功率相差一半和預期理論相符合。

3、將路仿真模型轉換為實際物理模型的場仿真模型，再次查看對應指標結果的場路一致性。

以上文章通過理論推導、路仿真驗證、場仿真驗證實現，提出一個設計指標并一步步建模完成綜合過程的完整仿真演示，祝您零基礎迅速掌握射頻無源器件的設計方法。

四、我的功分器設計仿真課程

功分器近幾年的發展可以看出是朝著小型化、先進工藝、改進阻抗變換和集總RLC元器件的方向實現，功分器的理論設計核心是沒有變化的。鑒于此，我的課程《基于ADS、CST和HFSS射頻功分器與饋電網絡實戰仿真設計》視頻課程，希望教會各位朋友按相應的指標需求綜合出一個標準的適合工程應用符合工藝規范的功分器，后續的創新性改進工作由于課程時間沒有展開。

本課程介紹了功分器的應用背景和相關案例，以實際角度出發，提出功分問題；此外，課程盡量避免電磁場相關冗雜公式，簡明扼要地介紹了理論思想，并以路仿真驗證理論、以場仿真驗證抽象電路模型，一步步完成仿真建模過程；課程介紹了T型、威爾金森型、補償帶寬威爾金森型、級聯超寬帶型、任意功率配比不等分型、奇等分型、雙頻威爾金森型、雙頻耦合線型等常見功分器。每個類型都配備了一至兩個設計案例，教會大家根據指標綜合出對應功分器的方法；路仿真軟件為ADS，場仿真軟件為CST，并配有對應的相關仿真演示，零基礎學會無源射頻器件的基本仿真方法；課程的PDF課件、課堂仿真案例均上傳在附件當中，方便大家學習交流。

審核編輯：湯梓紅