小型化Wilkinson功分器的设计与创新：原理、技术与应用探索

小型化Wilkinson功分器的设计与创新：原理、技术与应用探索一、引言1.1研究背景与意义在现代通信、雷达、电子对抗等领域，微波无源器件作为通信系统的基石，对整个通信系统的各项性能指标有着重大影响。功分器作为一种能够将一路输入信号的功率按照一定的比例分配到各个输出支路中的器件，在射频微波系统中应用极为广泛，对整个射频馈电网络起着至关重要的作用。Wilkinson功分器自1960年由E.J.Wilkinson首次发明以来，凭借其互易、匹配以及输出端口间具有高隔离度等特性，在微波电路设计中得到了广泛应用。其具有结构简单、宽带宽、低插损的优势，并且易于实现平面化、集成化和小型化，成为了使用数量最多的微波无源器件之一。在实际应用中，如在无线通信基站的射频前端电路中，Wilkinson功分器被用于将功率放大器输出的信号等功率分配到多个天线端口，以实现信号的有效发射；在雷达系统中，可将发射机的信号分配到不同的接收通道，用于目标探测和定位。然而，随着现代电子系统向小型化、轻量化、高集成度方向的快速发展，传统的Wilkinson功分器面临着严峻的挑战。传统Wilkinson功分器的物理尺寸与其工作频率的波长成比例，在较低频率下，其尺寸过大，这不仅不利于单片微波集成电路（MMIC）的设计，增加了制作成本，还限制了系统的集成度和小型化程度。例如，在一些便携式通信设备中，由于空间有限，过大尺寸的功分器无法满足设备小型化的需求。并且，随着频率的升高，在毫米波频段，微带传输线的不连续性影响变得突出，这会导致信号的反射、散射增加，从而影响功分器的性能，如插入损耗增大、隔离度降低等。小型化Wilkinson功分器的研究对于提升系统性能和降低成本具有关键作用。从提升系统性能方面来看，小型化的功分器能够更好地适应现代电子系统紧凑的布局要求，减少信号传输路径中的损耗和干扰，提高系统的整体性能。在多通道通信系统中，小型化功分器可以使各通道之间的信号传输更加稳定，减少信号之间的串扰，从而提高通信质量。在降低成本方面，小型化意味着可以在相同的芯片面积上集成更多的功能模块，减少了材料和制造成本。同时，由于尺寸减小，在大规模生产中，单位面积的产量增加，进一步降低了单个器件的成本。综上所述，开展小型化Wilkinson功分器的研究具有重要的现实意义和应用价值，对于推动现代通信等领域的发展具有不可或缺的作用。1.2国内外研究现状自1960年E.J.Wilkinson发明Wilkinson功分器以来，其凭借结构简单、宽带宽、低插损、高隔离度以及易于平面化、集成化和小型化等优势，在微波电路领域得到了广泛应用。随着现代通信技术的飞速发展，对功分器的小型化需求日益迫切，国内外学者围绕这一方向展开了大量研究。国外在小型化Wilkinson功分器研究方面起步较早，取得了一系列具有代表性的成果。2001年，Jong-SikLim等人利用传统的Wilkinson功分器拓扑结构和缺陷地（DGS）结构设计，通过增加微带线的特性阻抗，突破了加工工艺中对高阻抗微带线的限制，实现了一定程度的小型化。在2005年，Liang-HungLu等人在0.18um互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺下，利用传输线T型等效将传统Wilkinson功分器的四分之一波长阻抗变换器转换为集总参数电路，并采用有源电感器作为集总参数电感，成功减小了电路面积，该结构在中心工作频率4.5GHz处展现出优异性能，回波损耗优于30dB，插损优于0.16dB。2019年，J.Tayebpour等学者设计出一款工作在VHF频段的大功率小型化Wilkinson功分器，他们提出的由两个地平面和三个信号层组成的紧凑多层结构，通过将功分器四分之一波长阻抗变换器设计成蜿蜒的传输线，有效减小了电路尺寸，且该结构因无无功集总元件，可用于高功率场景。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，充分利用了LTCC极高介电常数低损耗的材料特性，实现了功分器的小型化。同年，NethiniWeerathunge等人利用阶梯阻抗线和短截线设计了一款用于MMIC的小型化功分器，并通过电容网络提高输出端口间的隔离度，相较于传统Wilkinson功分器，该结构尺寸减小了约57%。国内在小型化Wilkinson功分器研究方面也取得了显著进展。许银生等人通过对微带T型结构和微带拐角的不连续性研究，设计出新型的Wilkinson功分器，降低了微带不连续性的影响，实现了体积微型化。李博博等人提出一种基于耦合线的新型结构，实现了宽频比的双频Wilkinson功分器小型化设计，通过奇偶模法获得设计结构的参数方程，经Matlab拟合和ADS仿真优化，加工出工作在2.4GHz和5.8GHz两个WiFi频段的双频Wilkinson功分器，电路尺寸为0.19λ×0.14λ，测试结果与仿真结果吻合良好。还有研究人员采用多层PCB压合技术，选用成本低廉的罗杰斯板材，通过多层介质填充增大电路的有效介电常数，同时采取螺旋绕线代替传统微带线，避免了单层布局局限，延长了电路路径，实现了小型化目的，并且在介质板中间挖槽方便大功率负载安装，增加了隔离度，拓宽了应用领域。然而，现有研究仍存在一些不足之处。一方面，在小型化的同时，部分设计会导致功分器的带宽变窄，难以满足现代通信系统对宽频带的需求。基于集总参数元件的小型化功分器，由于其等效电路模型带宽的限制，在多级功分器设计中应用困难，限制了小型化功分器的带宽拓展。另一方面，一些小型化设计虽然在尺寸上有明显减小，但会使插入损耗增加、隔离度降低等性能指标恶化，影响了功分器在实际系统中的应用效果。还有在工艺实现方面，部分复杂的小型化结构对加工工艺要求较高，增加了制作成本和难度，不利于大规模生产应用。1.3研究内容与方法1.3.1研究内容本论文围绕小型化Wilkinson功分器展开深入研究，具体内容如下：Wilkinson功分器原理深入剖析：详细研究Wilkinson功分器的基本原理，基于传输线理论和奇偶模分析法，深入理解其通过合理设计传输线长度和电阻值，实现输入信号等功率分配以及输出端口间良好隔离的工作机制。对其结构特点进行全面分析，明确输入/输出端口、两段1/4波长传输线及一个电阻在整个结构中的作用和相互关系，为后续的设计和改进奠定坚实的理论基础。小型化设计方法研究：系统研究实现Wilkinson功分器小型化的多种设计方法。探究利用慢波结构，如在微带、共面波导、基片集成波导形式的传输线上加载蛇形线、交指电容、螺旋电感、缺陷地结构、电磁带隙结构等，增加传输线上等效集总电容和电感，从而实现小型化的原理和具体实现方式。研究使用集总参数元件或者开路枝节的方法，将传统Wilkinson功分器中部分传输线用集总参数电路代替，或在电路中加入集总参数元件，以实现小型化并保持理想性能的技术路径。分析使用改进后的阻抗变换器，用改进后的结构代替传统功分器中的阻抗变换器，实现功分器小型化或减少集总RLC元件带来分布式参数效应的可行性和优势。探讨使用先进工艺，如将功分器的阻抗变换器进行蜿蜒或者分成多层结构，取代集总RLC元器件，使功分器布局更加紧凑，减少电路面积的具体工艺实现和效果优化。小型化技术性能分析与优化：对各种小型化技术在实现Wilkinson功分器小型化过程中对其性能的影响进行深入分析。研究小型化设计对功分器带宽的影响，分析在实现小型化的同时导致带宽变窄的原因和机制，探索拓宽带宽的方法和策略。分析小型化设计对功分器插入损耗和隔离度的影响，研究如何在实现小型化的同时，通过优化设计和选择合适的材料及工艺，降低插入损耗，提高隔离度，确保功分器性能的稳定性和可靠性。针对小型化设计中出现的性能恶化问题，提出针对性的优化措施和解决方案，通过理论分析、仿真优化和实验验证，不断改进设计方案，提高小型化Wilkinson功分器的综合性能。应用案例研究与分析：选取典型的通信、雷达等系统，深入研究小型化Wilkinson功分器在这些实际系统中的应用案例。分析在不同应用场景下，小型化Wilkinson功分器的具体应用需求和技术要求，如在通信系统中对信号传输质量和稳定性的要求，在雷达系统中对功率分配精度和抗干扰能力的要求等。研究小型化Wilkinson功分器在实际应用中的性能表现，通过实际测试和数据分析，评估其在满足系统需求方面的优势和不足，为进一步改进和优化设计提供实际依据。总结小型化Wilkinson功分器在实际应用中的经验和教训，探索其在不同应用领域的拓展和应用前景，为推动小型化Wilkinson功分器的广泛应用提供参考和指导。1.3.2研究方法本论文采用多种研究方法，以确保研究的全面性、深入性和可靠性：理论分析方法：深入研究微波理论和传输线理论，为Wilkinson功分器的原理分析和设计提供坚实的理论基础。运用奇偶模分析法，对Wilkinson功分器的工作原理进行深入剖析，通过数学推导和理论计算，明确传输线长度、电阻值等参数与功分器性能之间的关系，为功分器的设计和优化提供理论指导。研究各种小型化技术的原理和实现方法，从理论层面分析其对功分器性能的影响，为选择合适的小型化技术和设计方案提供理论依据。案例研究方法：广泛收集国内外关于小型化Wilkinson功分器的研究案例和实际应用案例，对这些案例进行详细的分析和研究。分析不同案例中所采用的小型化技术、设计方法和工艺实现，总结其成功经验和存在的问题。通过对比不同案例的性能指标和应用效果，找出影响小型化Wilkinson功分器性能的关键因素，为本文的研究和设计提供参考和借鉴。仿真实验方法：利用专业的电磁仿真软件，如ADS（AdvancedDesignSystem）、HFSS（HighFrequencyStructureSimulator）等，对Wilkinson功分器进行建模和仿真分析。通过设置不同的参数和条件，模拟功分器在不同工作状态下的性能表现，如回波损耗、插入损耗、隔离度等。根据仿真结果，对功分器的结构和参数进行优化调整，通过多次迭代仿真，使功分器的性能达到最佳状态。搭建实验平台，制作小型化Wilkinson功分器的实物样品，对其进行实际测试和验证。将测试结果与仿真结果进行对比分析，验证仿真模型的准确性和可靠性，同时进一步优化设计方案，提高功分器的实际性能。二、Wilkinson功分器基本原理2.1功分器的定义与功能功分器，全称为功率分配器（PowerDivider），是一种在射频微波领域中极为重要的无源器件。其核心功能是将一路输入信号的功率按照特定的比例，分配到多个输出端口。这一功能使得功分器在众多射频微波系统中成为不可或缺的组成部分。从定义上来说，它是一个多端口网络，通常包含一个输入端口和两个或多个输出端口，输入信号通过功分器后，被等比例或不等比例地分配到各个输出端口。在现代通信系统中，功分器发挥着至关重要的作用。在5G基站的射频前端，需要将功率放大器输出的大功率信号等功率分配到多个天线端口，以实现信号的均匀辐射和覆盖。此时，功分器就像是一个信号的“分发枢纽”，确保每个天线都能接收到合适功率的信号，从而提高通信系统的整体性能和覆盖范围。在雷达系统中，功分器用于将发射机产生的信号分配到不同的接收通道，这些通道中的信号经过处理后可以用于目标的探测、定位和跟踪。通过精确的功率分配，雷达系统能够更准确地获取目标的信息，提高探测的精度和可靠性。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，以增强干扰效果，扰乱敌方的通信和雷达系统。功分器还广泛应用于卫星通信、广播电视等领域，在卫星通信地面站中，功分器用于将接收的卫星信号分配到不同的处理单元，实现信号的解调、解码等操作。在广播电视发射系统中，功分器将信号分配到多个发射天线，以扩大信号的覆盖范围，确保更多的用户能够接收到高质量的广播电视信号。功分器的性能直接影响着整个射频微波系统的性能。如果功分器的功率分配不均匀，会导致某些输出端口的信号功率过高或过低，从而影响后续设备的正常工作。在通信系统中，功率分配不均匀可能导致部分天线发射的信号过强或过弱，影响通信质量和覆盖范围。功分器的插入损耗、隔离度、回波损耗等性能指标也对系统性能有着重要影响。插入损耗过大，会导致信号功率在传输过程中大量损失，降低系统的效率；隔离度不足，会使得输出端口之间的信号相互干扰，影响系统的稳定性；回波损耗过大，会导致信号在端口处反射，降低信号的传输效率。因此，在设计和应用功分器时，需要充分考虑其性能指标，以确保整个射频微波系统的正常运行和高性能表现。2.2Wilkinson功分器的结构与工作原理Wilkinson功分器是一种在微波和射频领域应用广泛的功率分配器，由美国无线电工程师E.J.Wilkinson于1960年发明。其结构通常由传输线和隔离电阻组成，以实现信号的等功率分配和输出端口间的良好隔离。最常见的Wilkinson功分器为二等分功分器，它包含一个输入端口（Port1）和两个输出端口（Port2和Port3）。在结构上，从输入端口到两个输出端口分别连接着两段特性阻抗为Z_1、长度为\frac{\lambda}{4}（\lambda为信号波长）的传输线，在两个输出端口之间跨接一个电阻R。一般情况下，输入/输出端口的特性阻抗Z_0通常设为50Ω，这是因为在微波系统中，50Ω是一种标准的特性阻抗，便于与其他微波器件进行匹配和连接，以确保信号的高效传输。对于等功分的Wilkinson功分器，根据理论推导，Z_1=\sqrt{2}Z_0，R=2Z_0。例如，当Z_0=50Ω时，Z_1约为70.7Ω，R为100Ω。为了更深入地理解Wilkinson功分器的工作原理，这里引入奇偶模分析法。奇偶模分析法是微波电路分析中常用的一种方法，其核心思想是将一个复杂的多端口网络的激励分解为偶模激励和奇模激励两种简单的模式，分别对这两种模式进行分析，然后根据线性叠加原理得到网络的总响应。这种方法可以将复杂的多端口问题简化为多个单端口问题进行分析，从而降低分析的难度。假设输入信号为V_{in}，幅度为V_0。当信号从输入端口输入时，将其分解为偶模和奇模两种情况进行分析：偶模激励：在偶模激励下，假设两个输出端口的电压大小相等、相位相同，即V_{2e}=V_{3e}=\frac{V_0}{2}。由于两个输出端口的电压相等，所以跨接在两个输出端口之间的电阻R上没有电流通过（因为电阻两端电压差为0），此时电阻R相当于开路，不影响信号的传输。根据传输线理论，对于长度为\frac{\lambda}{4}的传输线，其输入阻抗Z_{in}与特性阻抗Z_1和负载阻抗Z_{L}之间的关系为Z_{in}=\frac{Z_1^2}{Z_{L}}。在偶模情况下，负载阻抗Z_{L}=Z_0（输出端口接匹配负载），则从输入端口看进去的偶模输入阻抗Z_{in,e}=\frac{Z_1^2}{Z_0}。将Z_1=\sqrt{2}Z_0代入可得Z_{in,e}=2Z_0，这与输入端口的源阻抗Z_0不匹配，会产生反射。但是，由于偶模激励下，两个输出端口的反射波幅度相等、相位相同，在输入端口处相互抵消，从而使得输入端口在偶模激励下实现了匹配，无反射。此时，输入信号的功率被等分为两路，分别传输到两个输出端口，每个输出端口得到的功率为输入功率的一半，即P_{2e}=P_{3e}=\frac{1}{2}P_{in}。奇模激励：在奇模激励下，假设两个输出端口的电压大小相等、相位相反，即V_{2o}=-V_{3o}=\frac{V_0}{2}。此时，电阻R两端的电压差为V_{2o}-V_{3o}=V_0，电阻R中有电流通过。根据传输线理论，从输入端口看进去的奇模输入阻抗Z_{in,o}=\frac{Z_1^2}{Z_{L}+R}（这里Z_{L}=Z_0）。将Z_1=\sqrt{2}Z_0，R=2Z_0代入可得Z_{in,o}=Z_0，这与输入端口的源阻抗Z_0匹配，无反射。在奇模激励下，由于电阻R的存在，使得两个输出端口之间的信号相互隔离。当一个输出端口有信号输入时，通过电阻R的作用，使得另一个输出端口不会接收到该信号，从而实现了输出端口间的高隔离度。根据线性叠加原理，将偶模和奇模的分析结果进行叠加，就可以得到Wilkinson功分器在实际输入信号下的工作情况。在实际工作中，输入信号可以看作是偶模和奇模的叠加，通过合理设计传输线的长度和电阻值，使得功分器在输入端口实现良好的匹配，无反射；在输出端口实现等功率分配，并且输出端口间具有高隔离度。例如，在一个工作频率为2.4GHz的无线通信系统中，采用Wilkinson功分器将信号等功率分配到两个天线端口进行发射。通过精确设计功分器的传输线长度和电阻值，使得功分器在2.4GHz频率下，输入端口的回波损耗小于-20dB，表明输入端口与传输线匹配良好，信号反射小；两个输出端口的插入损耗小于-3.5dB，接近理论值-3dB，说明信号在分配过程中的功率损失较小；输出端口间的隔离度大于25dB，有效减少了两个输出端口之间的信号串扰，保证了通信系统的正常运行。2.3性能指标与参数Wilkinson功分器的性能指标是衡量其工作特性和应用效果的关键参数，这些指标直接影响着功分器在各类射频微波系统中的性能表现。主要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，每个指标都反映了功分器不同方面的性能特点。插入损耗（InsertionLoss）是指信号从输入端口传输到输出端口过程中所产生的功率损失，通常用分贝（dB）来表示。理想情况下，功分器的插入损耗应为0dB，即信号在传输过程中没有功率损失。但在实际应用中，由于传输线的电阻、介质损耗以及不连续性等因素的影响，插入损耗总是存在的。插入损耗的计算公式为：IL=-10log_{10}(\frac{P_{out}}{P_{in}})，其中P_{in}是输入功率，P_{out}是输出功率。插入损耗越小，说明信号在传输过程中的功率损失越小，功分器的传输效率越高。对于Wilkinson功分器，其插入损耗主要来源于传输线的电阻损耗和介质损耗。传输线的电阻会导致信号在传输过程中产生热损耗，使得信号功率下降；介质损耗则是由于介质材料的非理想特性，导致信号在传输过程中与介质相互作用，产生能量损耗。一般来说，Wilkinson功分器的插入损耗在几dB以内，在一些高性能的设计中，插入损耗可以控制在0.5dB以下。如果插入损耗过大，会导致信号功率下降，影响系统的通信距离和灵敏度。在无线通信系统中，过大的插入损耗会使接收端接收到的信号强度减弱，增加误码率，降低通信质量。回波损耗（ReturnLoss）用于衡量功分器输入端口信号反射的程度，同样以分贝（dB）为单位。它反映了功分器与传输线之间的匹配程度。回波损耗越大，说明信号反射越小，功分器与传输线的匹配越好；反之，回波损耗越小，信号反射越大，匹配越差。回波损耗的计算公式为：RL=-20log_{10}(|\Gamma|)，其中\Gamma是反射系数。当功分器输入端口的阻抗与传输线的特性阻抗完全匹配时，反射系数\Gamma=0，回波损耗为无穷大，表示没有信号反射；而当两者阻抗不匹配时，就会产生信号反射，回波损耗变小。在Wilkinson功分器中，回波损耗主要受端口阻抗匹配的影响。如果功分器的输入端口阻抗与传输线的特性阻抗不匹配，信号在输入端口就会发生反射，反射的信号会与原信号相互干涉，导致信号失真和功率损失。一般要求Wilkinson功分器的回波损耗在10dB以上，在一些对信号传输质量要求较高的场合，回波损耗需要达到20dB甚至更高。在雷达系统中，回波损耗过大可能会导致雷达接收到的目标回波信号受到干扰，影响目标的探测和定位精度。隔离度（Isolation）是指功分器两个输出端口之间的信号隔离程度，以分贝（dB）表示。隔离度越高，说明两个输出端口之间的信号串扰越小，功分器的性能越稳定。在Wilkinson功分器中，通过在两个输出端口之间连接一个隔离电阻来实现输出端口间的高隔离度。隔离度的计算公式为：I=-10log_{10}(\frac{P_{32}}{P_{in2}})，其中P_{in2}是从端口2输入的功率，P_{32}是从端口2输入功率时在端口3测得的功率。理想情况下，当一个输出端口有信号输入时，另一个输出端口应该没有信号输出，即隔离度为无穷大。但在实际中，由于各种因素的影响，总会存在一定程度的信号串扰，隔离度是有限值。隔离度主要受隔离电阻的影响，隔离电阻的阻值和精度会直接影响到输出端口间的隔离效果。如果隔离电阻的阻值不准确，或者在制作过程中存在偏差，就会导致隔离度下降。一般来说，Wilkinson功分器的隔离度在20dB以上，在一些对信号隔离要求较高的系统中，如多通道通信系统，隔离度需要达到30dB以上，以确保各个通道之间的信号互不干扰。幅度平衡度（AmplitudeBalance）是指功分器两个输出端口信号幅度的平衡程度，通常以分贝（dB）或百分比表示。幅度平衡度反映了功分器在功率分配上的均匀性。在等功分的Wilkinson功分器中，理想情况下两个输出端口的信号幅度应该相等，即幅度平衡度为0dB。但在实际制作过程中，由于传输线的长度、宽度、介质材料等因素的微小差异，以及制作工艺的误差，会导致两个输出端口的信号幅度存在一定的差异。幅度平衡度的计算公式为：AB=20log_{10}(\frac{A_{max}}{A_{min}})，其中A_{max}和A_{min}分别是两个输出端口信号幅度的最大值和最小值。幅度平衡度主要受传输线参数和制作工艺的影响。传输线的长度和宽度不一致会导致信号在传输过程中的衰减不同，从而影响输出端口的信号幅度平衡度；制作工艺的误差，如微带线的蚀刻精度、电阻的焊接质量等，也会对幅度平衡度产生影响。一般要求Wilkinson功分器的幅度平衡度在0.5dB以内，在一些对信号幅度一致性要求较高的应用中，如相控阵雷达的馈电网络，幅度平衡度需要控制在0.2dB以内，以保证各个天线单元接收到的信号幅度一致，从而实现精确的波束扫描和信号合成。相位平衡度（PhaseBalance）是指功分器两个输出端口信号相位的差异，通常以度（°）为单位。相位平衡度反映了功分器在信号传输过程中对信号相位的影响。在一些需要对信号进行相位合成或相干处理的系统中，如相控阵雷达、通信中的MIMO系统等，相位平衡度是一个非常重要的指标。在理想情况下，功分器两个输出端口的信号相位应该相同，即相位平衡度为0°。但在实际中，由于传输线的长度、介质材料的色散特性以及制作工艺的误差等因素的影响，会导致两个输出端口的信号相位存在一定的差异。相位平衡度主要受传输线长度和介质色散的影响。传输线长度的微小差异会导致信号在传输过程中的延迟不同，从而产生相位差；介质材料的色散特性会使不同频率的信号在传输过程中具有不同的传播速度，也会导致相位差的产生。相位平衡度的计算公式较为复杂，一般通过相位测量仪器来直接测量两个输出端口信号的相位差。一般要求Wilkinson功分器的相位平衡度在5°以内，在一些对相位精度要求极高的应用中，如高精度的相控阵雷达系统，相位平衡度需要控制在1°以内，以确保信号在合成或相干处理时能够达到最佳效果。三、小型化Wilkinson功分器的设计方法3.1传统设计方法概述传统的Wilkinson功分器设计主要基于传输线理论，其设计步骤严谨且具有系统性。以常见的二等分Wilkinson功分器为例，首先需要明确设计的基本参数，其中工作频率是一个关键的起始参数。工作频率决定了信号的波长，而波长在后续的传输线长度计算中起着至关重要的作用。通常情况下，微波系统中输入/输出端口的特性阻抗会选择50Ω，这是因为50Ω是微波领域中广泛采用的标准阻抗，便于与其他微波器件进行匹配连接，确保信号在传输过程中的高效性和稳定性。在确定了工作频率和输入/输出端口特性阻抗后，下一步是根据功率分配比例来计算传输线的特性阻抗和长度。对于等功分的Wilkinson功分器，从传输线理论和奇偶模分析法可知，两段从输入端口到输出端口的传输线特性阻抗Z_1与输入/输出端口特性阻抗Z_0存在特定关系，即Z_1=\sqrt{2}Z_0。在实际应用中，若Z_0为50Ω，则Z_1约为70.7Ω。同时，这两段传输线的长度通常设计为\frac{\lambda}{4}，这里的\lambda是信号在传输线介质中的波长，其计算公式为\lambda=\frac{\lambda_0}{\sqrt{\varepsilon_r}}，其中\lambda_0是信号在自由空间中的波长，可由公式\lambda_0=\frac{c}{f}计算得出，c为光速，f为工作频率，\varepsilon_r是传输线介质的相对介电常数。在计算出传输线特性阻抗和长度后，还需要确定隔离电阻R的值，对于等功分的Wilkinson功分器，R=2Z_0。在完成理论计算后，需要选择合适的传输线类型，常见的有微带线、带状线、共面波导等。不同的传输线类型具有各自的特点和适用场景，微带线具有结构简单、易于集成的优点，在平面微波电路中应用广泛；带状线的信号传输性能较好，适用于对信号质量要求较高的场合；共面波导则在一些需要便于与其他平面元件连接的情况下使用。选择传输线类型时，需要综合考虑工作频率、功率容量、制作工艺以及成本等因素。例如，在高频段，微带线的损耗会增加，此时可能需要选择损耗更低的带状线；而在对成本较为敏感的大规模生产中，微带线因其制作工艺相对简单、成本较低而更具优势。在确定了传输线类型后，需要根据传输线的特性阻抗计算其物理尺寸，如微带线的宽度。微带线的宽度与特性阻抗之间存在特定的关系，可以通过相关的计算公式或设计图表来确定。在实际设计中，还需要考虑微带线的加工精度和公差，以确保实际制作的微带线特性阻抗与设计值相符。在设计过程中，还需要考虑微带线的不连续性，如T型结、拐角等，这些不连续性会导致信号的反射和散射，影响功分器的性能。通常需要采取一些补偿措施，如在不连续处添加补偿电容或电感，或者优化不连续处的结构形状，以减小不连续性对信号的影响。传统Wilkinson功分器在低频段时，由于其传输线长度与波长相关，导致物理尺寸较大。在一些对尺寸要求严格的应用场景，如便携式通信设备、卫星通信终端等，过大的功分器尺寸不仅占用过多空间，还会增加系统的重量和成本，不利于系统的小型化和轻量化设计。在高频段，尤其是毫米波频段，微带传输线的不连续性影响变得更为突出。T型结、拐角以及与隔离电阻的连接点等不连续结构，会导致信号的反射和散射明显增加。这些反射和散射信号会与原信号相互干涉，从而导致插入损耗增大，信号在传输过程中的能量损失增加，降低了功分器的传输效率；隔离度降低，输出端口之间的信号串扰增强，影响了功分器输出信号的独立性和纯度；回波损耗变差，信号在端口处的反射增多，降低了信号的传输效率和系统的稳定性。传统Wilkinson功分器在面对现代电子系统对小型化和高性能的需求时，存在一定的局限性，需要探索新的设计方法来实现小型化并提高性能。3.2小型化设计思路与策略为了实现Wilkinson功分器的小型化，同时保持其良好的性能，需要从多个方面进行设计思路的探索和策略的制定。小型化设计不仅要考虑如何减小功分器的物理尺寸，还要兼顾其在插入损耗、回波损耗、隔离度等关键性能指标上的表现，以满足现代电子系统对高性能、小型化微波器件的需求。采用集总参数元件是实现小型化的重要思路之一。传统的Wilkinson功分器基于分布参数传输线，其尺寸与工作波长相关，在低频段尺寸较大。而集总参数元件，如电感、电容等，能够在较小的空间内实现类似传输线的功能。在2005年，Liang-HungLu等人在0.18um互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺下，利用传输线T型等效将传统Wilkinson功分器的四分之一波长阻抗变换器转换为集总参数电路，并采用有源电感器作为集总参数电感，成功减小了电路面积。这种方法的原理在于，通过合理设计集总参数元件的数值和连接方式，可以等效模拟传输线的特性阻抗和相移特性。在等效过程中，需要精确计算集总参数元件的数值，以确保功分器的性能不受影响。对于一个工作在特定频率的Wilkinson功分器，根据传输线的特性阻抗和长度要求，可以通过公式计算出对应的集总参数电感和电容的值。在实际应用中，采用集总参数元件的小型化Wilkinson功分器在一些对尺寸要求严格的集成电路中具有明显优势，如在手机等便携式通信设备的射频前端电路中，可以有效减小电路的占用面积，提高系统的集成度。但该方法也存在一定的局限性，集总参数元件的等效电路模型带宽有限，在多级功分器设计中应用困难，限制了小型化功分器的带宽拓展。慢波结构也是实现小型化的有效途径。实现平面慢波结构传输线的方式主要是在微带、共面波导、基片集成波导形式的传输线上加载蛇形线、交指电容、螺旋电感、缺陷地结构、电磁带隙结构等，以增加传输线上的等效集总电容和电感，从而实现小型化。在微带传输线上加载交指电容，可以增加传输线的等效电容，使得信号在传输线上的传播速度减慢，从而在相同的物理长度下，传输线能够实现更长的电长度，达到减小尺寸的目的。2001年，Jong-SikLim等人利用传统的Wilkinson功分器拓扑结构和缺陷地（DGS）结构设计，通过增加微带线的特性阻抗，突破了加工工艺中对高阻抗微带线的限制，实现了一定程度的小型化。慢波结构的引入会增加传输线的损耗，对功分器的插入损耗性能产生一定影响。在设计过程中，需要通过优化慢波结构的参数，如加载元件的尺寸、间距等，来平衡小型化效果和插入损耗之间的关系。可以通过仿真软件对不同参数的慢波结构进行模拟分析，找到最佳的参数组合，以在实现小型化的同时，尽量减小插入损耗的增加。使用改进后的阻抗变换器是另一种实现小型化的策略。通过将传统功分器中的阻抗变换器用改进后的结构代替，可以实现功分器的小型化或减少集总RLC元件带来的分布式参数效应。2021年，NethiniWeerathunge等人利用阶梯阻抗线和短截线设计了一款用于MMIC的小型化功分器，并且用一个电容网络来提高输出端口之间的隔离度。相较于传统的Wilkinson功分器，该结构的尺寸减小了约57%。这种改进后的阻抗变换器通过改变传输线的阻抗分布和结构形式，实现了尺寸的减小。在设计改进后的阻抗变换器时，需要考虑其对功分器整体性能的影响，如对回波损耗和隔离度的影响。通过优化阻抗变换器的结构参数，如阶梯阻抗的比例、短截线的长度等，可以确保在实现小型化的同时，保持良好的回波损耗和隔离度性能。利用先进工艺也是实现小型化的重要手段。将功分器的阻抗变换器进行蜿蜒或者分成多层结构，取代集总RLC元器件，使得功分器布局更加紧凑，从而减少电路面积。2019年，J.Tayebpour等学者设计了一款工作在VHF频段的大功率小型化Wilkinson功分器，他们提出的由两个地平面和三个信号层组成的紧凑多层结构，通过将功分器四分之一波长阻抗变换器设计成蜿蜒的传输线，有效减小了电路尺寸，且该结构因无无功集总元件，可用于高功率场景。采用先进工艺实现小型化时，需要考虑工艺的复杂性和成本。多层结构的设计和制造需要更高的工艺精度和成本，在实际应用中，需要根据具体的需求和成本限制，选择合适的工艺实现方式。可以通过优化多层结构的设计，减少层数和复杂程度，在保证小型化效果的前提下，降低工艺成本。3.3基于特定工艺的设计要点不同的工艺对小型化Wilkinson功分器的设计有着显著的影响，每种工艺都有其独特的特点和优势，同时也伴随着相应的设计要点和挑战。以CMOS（互补金属氧化物半导体）和LTCC（低温共烧陶瓷）工艺为例，深入探讨它们在小型化Wilkinson功分器设计中的应用。CMOS工艺在现代集成电路制造中应用广泛，具有高度集成化、成本低、易于大规模生产等优点。在2005年，Liang-HungLu等人在0.18umCMOS工艺下，利用传输线T型等效将传统Wilkinson功分器的四分之一波长阻抗变换器转换为集总参数电路，并采用有源电感器作为集总参数电感，成功减小了电路面积。该结构在中心工作频率4.5GHz处展现出优异性能，回波损耗优于30dB，插损优于0.16dB。这一成果充分展示了CMOS工艺在实现小型化Wilkinson功分器方面的潜力。在基于CMOS工艺设计小型化Wilkinson功分器时，需要考虑一些关键要点。CMOS工艺中的集总参数元件，如电感和电容，其寄生效应较为明显。寄生电阻会增加信号传输过程中的损耗，导致插入损耗增大；寄生电容和电感会影响元件的等效参数，进而影响功分器的性能。在设计电感时，需要优化其结构和尺寸，以减小寄生电阻和寄生电容的影响。采用多晶硅电感可以在一定程度上降低寄生电阻，通过优化电感的螺旋形状和匝数，可以减小寄生电容。对于电容，选择合适的电容类型和布局方式，如采用金属-绝缘体-金属（MIM）电容，其具有较低的寄生效应和较高的电容密度，能够提高电容的性能和稳定性。CMOS工艺中的有源器件，如晶体管，也会对功分器的性能产生影响。晶体管的噪声和非线性特性会引入额外的噪声和失真，影响信号的质量。在设计中，需要合理选择晶体管的类型和参数，采用低噪声晶体管，并通过优化电路设计来减小非线性失真。可以采用负反馈技术来改善晶体管的线性度，通过调整反馈电阻和电容的值，使晶体管工作在更线性的区域，从而减小非线性失真。还需要考虑晶体管的功耗和散热问题，选择合适的偏置电路和散热措施，以确保晶体管在工作过程中的稳定性和可靠性。LTCC工艺是一种将多层陶瓷生片经过精确对准、叠压后，在低温下共烧形成一体化基板的先进技术。它具有高介电常数、低损耗、良好的温度特性和高频特性等优点，能够实现电子元件的高密度集成。2021年，M.L.Laurenzid等人采用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，充分利用了LTCC极高介电常数低损耗的材料特性，实现了功分器的小型化。在基于LTCC工艺设计小型化Wilkinson功分器时，也有一些重要的设计要点。LTCC工艺中的多层结构设计是关键。通过合理设计多层结构，可以实现传输线的紧凑布局和阻抗匹配，从而减小功分器的尺寸。可以将功分器的阻抗变换器设计成蜿蜒的传输线，在有限的空间内增加传输线的长度，实现小型化。还可以利用多层结构来实现不同功能模块的集成，将功分器与其他微波器件，如滤波器、放大器等集成在同一基板上，提高系统的集成度和性能。在设计多层结构时，需要考虑层间的对准精度和信号传输的完整性，采用高精度的对准工艺和合理的布线设计，以确保信号在层间的高效传输。LTCC工艺中的材料特性也需要充分考虑。LTCC材料的介电常数和损耗角正切等参数会影响功分器的性能。在选择LTCC材料时，需要根据工作频率和性能要求，选择介电常数合适、损耗低的材料。对于高频应用，选择介电常数较低、损耗角正切较小的材料，以减小信号的传输损耗和色散。还需要考虑材料的热膨胀系数，确保与其他元件的热匹配性，避免在温度变化时产生应力，影响功分器的性能和可靠性。在制作过程中，要严格控制材料的烧结工艺，确保材料的性能稳定和一致性。四、小型化技术研究4.1慢波结构实现小型化4.1.1慢波结构原理慢波结构是实现Wilkinson功分器小型化的重要技术手段之一，其原理基于传输线理论中对信号传输特性的改变。在传统的传输线中，信号以一定的相速度v_p沿传输线传播，相速度与光速c、传输线介质的相对介电常数\varepsilon_r之间存在关系v_p=\frac{c}{\sqrt{\varepsilon_r}}。当信号频率f确定时，其波长\lambda与相速度成正比，即\lambda=\frac{v_p}{f}。为了实现小型化，慢波结构通过在传输线上加载特定的结构，增加传输线的等效电感L_{eq}和电容C_{eq}。以在微带传输线上加载交指电容为例，交指电容的引入增加了传输线单位长度的等效电容。根据传输线理论，传输线的相速度v_p与等效电感和电容之间的关系为v_p=\frac{1}{\sqrt{L_{eq}C_{eq}}}。当等效电感和电容增加时，相速度v_p会降低。在相同的物理长度l下，信号传播的电长度\betal（其中\beta为传播常数，\beta=\frac{2\pi}{\lambda}）与相速度成反比，相速度降低意味着在相同物理长度下，电长度增加。这就相当于在不改变物理长度的情况下，传输线能够实现更长的电长度，从而达到减小尺寸的目的。从信号传播的角度来看，加载结构改变了传输线的电场和磁场分布。在加载交指电容的微带传输线上，交指电容的存在使得电场在电容区域内发生集中和畸变，改变了原本均匀的电场分布。这种电场分布的改变导致信号在传输过程中与电场的相互作用增强，信号的传播速度减慢，实现了慢波效应。同样，对于加载螺旋电感的传输线，螺旋电感的结构使得磁场在电感区域内集中，改变了磁场分布，进而影响了信号的传播速度。在实际应用中，通过合理设计加载结构的参数，如交指电容的指长、指宽、指间距，螺旋电感的匝数、半径等，可以精确控制传输线的等效电感和电容，从而实现所需的慢波效应和小型化程度。在设计一个工作在2.4GHz的小型化Wilkinson功分器时，根据所需的小型化程度和性能要求，计算出需要增加的等效电感和电容值，然后通过优化交指电容的参数，使得传输线的相速度降低到合适的值，在满足功分器性能指标的前提下，实现尺寸的有效减小。4.1.2常见慢波结构形式常见的慢波结构形式丰富多样，每种形式都有其独特的结构特点和在小型化功分器中的应用方式。蛇形线是一种常见的慢波结构，它通过将传输线设计成蜿蜒曲折的形状，增加了信号在传输线上的传播路径。在相同的物理面积内，蛇形线传输线的长度比直线传输线更长，从而增加了传输线的电长度。这种结构在小型化功分器中应用时，能够在有限的空间内实现更长的传输线长度，进而实现小型化。在一些对尺寸要求严格的便携式通信设备的射频前端电路中，采用蛇形线结构的Wilkinson功分器可以有效减小电路的占用面积。蛇形线的蜿蜒程度和弯曲半径等参数会影响其慢波效果和传输性能。如果蜿蜒程度过大，可能会导致信号的损耗增加；弯曲半径过小，则可能会引起信号的反射和散射。在设计蛇形线结构时，需要通过仿真和优化来确定最佳的参数，以平衡小型化效果和传输性能。交指电容是另一种常用的慢波结构，它由多个相互交错的金属指组成，这些金属指之间形成电容。在微带传输线上加载交指电容时，交指电容增加了传输线的等效电容，从而降低了信号的相速度，实现慢波效应。在2001年，Jong-SikLim等人利用传统的Wilkinson功分器拓扑结构和缺陷地（DGS）结构设计中，就涉及到了类似的加载结构，通过增加微带线的等效电容等方式实现了小型化。交指电容的指长、指宽和指间距等参数对其电容值和慢波效果有显著影响。较长的指长和较小的指间距会增加电容值，增强慢波效果，但同时也可能会增加信号的损耗；较宽的指宽可以减小电阻损耗，但可能会对电容值产生一定影响。在设计交指电容时，需要综合考虑这些因素，通过优化参数来实现最佳的小型化效果和性能。缺陷地结构（DGS）是一种通过在接地板上刻蚀特定形状的缺陷图形来实现慢波效应的结构。这些缺陷图形会打乱接地板上的分布电流，从而改变传输线的传输参数，实现慢波效应。根据缺陷图形的结构特点，DGS可以分为微带缺陷地结构、槽线缺陷地结构、共面波导缺陷地结构等。在微带线的接地板上刻蚀周期性的圆形或矩形缺陷，会改变微带线的电场和磁场分布，导致信号的传播速度减慢。DGS结构在小型化功分器中的应用可以有效减小功分器的尺寸，同时还能对功分器的性能产生一些特殊的影响，如改善阻抗匹配、提高隔离度等。DGS结构的缺陷图形形状、尺寸和周期等参数会影响其对传输线参数的改变程度和慢波效果。不同形状的缺陷图形会产生不同的电场和磁场分布变化，从而对信号的传输产生不同的影响。在设计DGS结构时，需要根据具体的设计要求和性能指标，通过仿真和优化来确定合适的缺陷图形参数。4.1.3案例分析以采用DGS结构的小型化Wilkinson功分器为例，深入分析其设计过程、性能及小型化效果。假设设计一个工作在5GHz的小型化Wilkinson功分器，采用FR4介质基板，其相对介电常数\varepsilon_r=4.4，损耗角正切\tan\delta=0.02。在设计过程中，首先根据Wilkinson功分器的基本原理，确定其初始结构和参数。输入/输出端口的特性阻抗Z_0设为50Ω，对于等功分的Wilkinson功分器，两段从输入端口到输出端口的传输线特性阻抗Z_1=\sqrt{2}Z_0\approx70.7Ω，长度为\frac{\lambda}{4}，其中\lambda=\frac{\lambda_0}{\sqrt{\varepsilon_r}}，\lambda_0=\frac{c}{f}（c为光速，f为工作频率），计算可得\lambda_0=60mm，\lambda\approx28.5mm，传输线长度约为7.1mm。隔离电阻R=2Z_0=100Ω。为了实现小型化，在传输线上引入DGS结构。在接地板上刻蚀周期性的矩形缺陷，缺陷的长度l_d=2mm，宽度w_d=1mm，周期p=4mm。通过电磁仿真软件HFSS对该结构进行建模和仿真分析。在仿真过程中，设置合适的边界条件和激励源，对功分器的S参数进行仿真计算。从性能方面来看，仿真结果显示，该小型化Wilkinson功分器在5GHz工作频率下，输入端口的回波损耗S_{11}小于-20dB，表明输入端口与传输线匹配良好，信号反射小；两个输出端口的插入损耗S_{21}和S_{31}均小于-3.5dB，接近理论值-3dB，说明信号在分配过程中的功率损失较小；输出端口间的隔离度S_{23}大于25dB，有效减少了两个输出端口之间的信号串扰。在小型化效果方面，与传统的Wilkinson功分器相比，采用DGS结构的功分器尺寸明显减小。通过合理设计DGS结构的参数，在实现慢波效应的同时，保持了功分器的良好性能，满足了现代电子系统对小型化和高性能的要求。在实际应用中，该小型化Wilkinson功分器可应用于小型基站的射频前端电路，在有限的空间内实现信号的等功率分配，提高了系统的集成度和性能。4.2集总参数元件应用4.2.1集总参数与分布参数对比在微波电路领域，集总参数元件和分布参数传输线是两种重要的组成部分，它们在特性、适用场景等方面存在显著差异。集总参数元件是指其电磁特性集中在元件内部，且尺寸远小于工作波长的元件，如电阻（R）、电感（L）和电容（C）。这些元件的特性主要由自身的物理结构和材料决定，与元件在电路中的位置和连接方式无关。在低频电路中，集总参数元件的特性相对稳定，能够准确地实现信号的处理和控制。一个电阻元件在低频下能够稳定地消耗电能，其电阻值基本不随频率变化而改变；电感元件能够储存磁场能量，在低频电路中对电流的变化起到阻碍作用；电容元件则储存电场能量，对电压的变化起到缓冲作用。集总参数元件的尺寸通常较小，在电路板上占用的空间有限，这使得它们在小型化电路设计中具有很大的优势。在手机等便携式通信设备的射频前端电路中，大量使用集总参数元件来实现信号的滤波、匹配等功能，有效减小了电路的体积。分布参数传输线则是指其参数沿线分布，且传输线的长度与工作波长可比拟的传输线，如微带线、带状线、共面波导等。在微波频段，信号在传输线上的传播特性变得复杂，需要考虑传输线的特性阻抗、传播常数、相位延迟等参数。传输线的特性阻抗与传输线的结构、材料以及周围介质有关，不同的传输线具有不同的特性阻抗。微带线的特性阻抗与微带线的宽度、介质基板的厚度和介电常数等因素相关。传播常数描述了信号在传输线上传播时的衰减和相位变化情况，相位延迟则表示信号在传输线上传播一定距离后产生的相位偏移。这些参数使得分布参数传输线在微波电路中能够实现信号的高效传输和匹配。在微波通信系统中，微带线常用于连接各个微波器件，确保信号在传输过程中的稳定性和准确性。然而，分布参数传输线也存在一些局限性。在低频段，由于其尺寸与波长的关系，分布参数传输线的物理尺寸较大，这在一些对尺寸要求严格的应用场景中是一个明显的劣势。在便携式电子设备中，过大的传输线尺寸会占用过多的空间，不利于设备的小型化设计。在高频段，尤其是毫米波频段，微带传输线的不连续性影响变得突出。T型结、拐角以及与其他元件的连接点等不连续结构会导致信号的反射和散射，从而增加插入损耗，降低信号的传输效率；影响隔离度，使得输出端口之间的信号串扰增强；回波损耗变差，信号在端口处的反射增多，降低了系统的稳定性。相比之下，集总参数元件在实现小型化方面具有明显的优势。由于其尺寸小，能够在有限的空间内实现复杂的电路功能，满足现代电子系统对小型化和高集成度的需求。在一些小型化的微波电路模块中，采用集总参数元件可以将多个功能模块集成在一个很小的芯片上，提高了系统的集成度和性能。集总参数元件的设计和调整相对灵活，可以通过改变元件的数值和连接方式来实现不同的电路功能。在设计一个小型化的Wilkinson功分器时，可以通过调整集总参数电感和电容的数值，来实现功分器的小型化和性能优化。但集总参数元件也存在一些缺点，其等效电路模型带宽有限，在高频段的性能会受到一定影响，且在处理大功率信号时，可能会出现功率容量不足的问题。4.2.2集总参数元件的选择与应用在小型化功分器的设计中，电感和电容等集总参数元件的选择与应用至关重要，它们的特性和参数直接影响着功分器的性能和小型化程度。电感的选择需要考虑多个因素。电感的电感值是一个关键参数，它决定了电感对电流变化的阻碍作用。在小型化Wilkinson功分器中，根据功分器的工作频率和所需的阻抗匹配要求，需要精确选择合适电感值的电感。对于工作在较高频率的功分器，通常需要选择较小电感值的电感，以满足高频下的阻抗匹配和信号传输要求。电感的品质因数（Q值）也非常重要，它反映了电感在储存和释放能量过程中的损耗情况。高Q值的电感在工作过程中的能量损耗较小，能够提高功分器的效率和性能。在选择电感时，应尽量选择Q值较高的电感。电感的寄生电容和寄生电阻也会对功分器的性能产生影响。寄生电容会导致电感在高频下的等效电感值发生变化，影响功分器的性能；寄生电阻则会增加信号传输过程中的能量损耗。在设计中，需要通过优化电感的结构和材料，减小寄生电容和寄生电阻的影响。电容的选择同样需要综合考虑多个因素。电容的电容值是根据功分器的电路设计和性能要求来确定的。在小型化功分器中，电容通常用于实现阻抗匹配、滤波和信号耦合等功能。对于实现阻抗匹配的电容，需要根据功分器的输入输出阻抗要求，精确计算和选择合适电容值的电容。电容的损耗角正切（tanδ）是衡量电容损耗大小的重要指标，损耗角正切越小，电容在工作过程中的能量损耗越小，对功分器性能的影响也越小。在选择电容时，应优先选择损耗角正切较小的电容。电容的耐压值也是一个需要考虑的因素，在功分器工作过程中，电容可能会承受一定的电压，因此需要选择耐压值大于工作电压的电容，以确保电容的安全可靠工作。在小型化功分器中，集总参数元件的应用方式多种多样。可以利用传输线T型等效将传统Wilkinson功分器的四分之一波长阻抗变换器转换为集总参数电路。2005年，Liang-HungLu等人在0.18um互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺下，采用这种方法将传统Wilkinson功分器的四分之一波长阻抗变换器转换为集总参数电路，并利用有源电感器作为集总参数电感，成功减小了电路面积。在这种应用中，通过精确计算和选择集总参数电感和电容的数值，来等效模拟四分之一波长传输线的特性阻抗和相移特性，从而实现功分器的小型化。还可以在电路中加入集总参数元件来调整功分器的性能。在功分器的输入输出端口加入适当的电容，可以改善端口的阻抗匹配，减小回波损耗；在输出端口之间加入电容网络，可以提高输出端口间的隔离度。通过合理应用集总参数元件，可以在实现小型化的同时，保持功分器的良好性能。4.2.3实际案例分析以2005年Liang-HungLu等人在0.18um互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺下设计的小型化功分器为例，深入分析采用集总参数元件设计的小型化功分器的性能和小型化程度。在该设计中，首先利用传输线T型等效将传统Wilkinson功分器的四分之一波长阻抗变换器转换为集总参数电路。这种转换的原理是基于集总参数元件的等效电路模型，通过合理选择集总参数电感和电容的数值，使其能够模拟四分之一波长传输线的特性阻抗和相移特性。在传统的Wilkinson功分器中，四分之一波长传输线在信号传输和功率分配中起着关键作用，而将其转换为集总参数电路后，能够在更小的空间内实现相同的功能，从而达到小型化的目的。利用有源电感器作为电路中的集总参数电感。有源电感器相比传统的无源电感器，具有更高的电感值和更好的性能，能够在有限的空间内提供所需的电感量，进一步减小了电路的面积。从性能方面来看，该结构在中心工作频率4.5GHz处展现出优异的性能。回波损耗优于30dB，这表明输入端口与传输线之间的匹配非常良好，信号的反射极小。回波损耗是衡量功分器输入端口信号反射程度的重要指标，回波损耗越大，说明信号反射越小，功分器与传输线的匹配越好。在这个案例中，回波损耗优于30dB，说明该小型化功分器在输入端口能够有效地减少信号反射，保证信号的高效传输。插损优于0.16dB，接近理想的无损传输状态。插入损耗是指信号从输入端口传输到输出端口过程中所产生的功率损失，插损越小，说明信号在传输过程中的功率损失越小，功分器的传输效率越高。该小型化功分器的插损优于0.16dB，表明其在信号传输过程中的功率损失极小，能够高效地实现功率分配。在小型化程度方面，由于电路中没有分布参数传输线和螺旋电感，电路的面积大大减小。传统的Wilkinson功分器基于分布参数传输线，其尺寸与工作波长相关，在低频段尺寸较大。而该设计采用集总参数元件，有效地摆脱了传输线尺寸的限制，使得电路布局更加紧凑，占用空间更小。这种小型化设计使得功分器能够更好地满足现代集成电路对小型化和高集成度的要求，在一些对尺寸要求严格的应用场景，如手机、平板电脑等便携式通信设备的射频前端电路中，具有很大的应用优势。通过这个实际案例可以看出，采用集总参数元件设计的小型化功分器在性能和小型化程度上都具有明显的优势，为小型化Wilkinson功分器的设计提供了一种有效的方法和思路。4.3改进的阻抗变换器4.3.1传统阻抗变换器的不足传统的Wilkinson功分器中，常用的阻抗变换器是四分之一波长传输线。这种阻抗变换器基于传输线理论，其工作原理是利用传输线的特性阻抗和长度来实现阻抗变换。对于一个端接实数负载的射频电路，通过接入一段长度为四分之一波长、特性阻抗为Z_1的传输线，可以将负载阻抗R_L变换到与馈线阻抗Z_0相同的输入阻抗Z_{in}，以满足阻抗匹配的要求，其中Z_1=\sqrt{Z_0R_L}。在一个以50Ω为标准阻抗的微波系统中，当负载阻抗为100Ω时，通过计算可知，需要特性阻抗为\sqrt{50\times100}\approx70.7Ω、长度为四分之一波长的传输线作为阻抗变换器，来实现阻抗匹配。然而，这种传统的四分之一波长阻抗变换器在小型化和减少分布式参数效应方面存在明显不足。在小型化方面，四分之一波长传输线的长度与信号波长相关，在低频段，由于波长较长，导致传输线的物理尺寸较大。在VHF频段（30-300MHz），信号波长范围在1-10米，相应的四分之一波长传输线长度在0.25-2.5米，如此大的尺寸在一些对空间要求严格的应用场景中，如便携式通信设备、小型化卫星通信终端等，严重限制了系统的小型化设计。即使在较高频率下，随着现代电子系统对集成度要求的不断提高，传统四分之一波长阻抗变换器的尺寸仍然显得过大，不利于在有限的芯片面积上实现更多功能模块的集成。在减少分布式参数效应方面，传统四分之一波长阻抗变换器也存在问题。随着频率的升高，尤其是在毫米波频段，传输线的分布式参数效应变得不可忽视。传输线的电阻、电感、电容等参数不再是集中在某一点，而是沿线分布，这会导致信号在传输过程中出现反射、散射、延迟等现象，从而影响功分器的性能。传输线的不连续性，如T型结、拐角等，会产生额外的反射和散射，增加插入损耗，降低信号的传输效率；影响隔离度，使得输出端口之间的信号串扰增强；回波损耗变差，信号在端口处的反射增多，降低了系统的稳定性。传统四分之一波长阻抗变换器在面对现代电子系统对小型化和高性能的需求时，其局限性愈发凸显，需要探索新型的阻抗变换器结构来克服这些问题。4.3.2新型阻抗变换器结构新型阻抗变换器结构的出现为解决传统阻抗变换器的不足提供了有效的途径，其中阶梯阻抗线和短截线是两种典型的结构，它们在实现小型化方面具有独特的原理和优势。阶梯阻抗线是一种由不同特性阻抗的传输线段级联而成的结构。其实现小型化的原理在于，通过改变传输线的阻抗分布，使得在相同的电长度下，物理长度可以减小。阶梯阻抗线由两段不同特性阻抗Z_{11}和Z_{12}的传输线级联组成，相比于传统的单一特性阻抗的四分之一波长传输线，在实现相同阻抗变换功能的情况下，通过合理设计Z_{11}和Z_{12}的比值以及传输线的长度，可以使总物理长度缩短。当需要将50Ω的阻抗变换到100Ω时，传统四分之一波长传输线的特性阻抗为70.7Ω，而采用阶梯阻抗线时，可以设计第一段传输线特性阻抗为60Ω，第二段为80Ω，通过精确计算两段传输线的长度，在满足阻抗变换要求的同时，减小了整体的物理尺寸。在实际应用中，阶梯阻抗线的设计需要考虑多个因素。不同特性阻抗的传输线段之间的连接点会产生不连续性，这可能导致信号的反射和散射，影响功分器的性能。在设计时，需要对连接点进行优化，如采用渐变过渡的方式，减小不连续性的影响；还需要根据功分器的工作频率和带宽要求，精确计算各段传输线的特性阻抗和长度，以确保在实现小型化的同时，保持良好的阻抗匹配和信号传输性能。短截线也是一种常用的新型阻抗变换器结构，它通常由一段与主传输线并联或串联的短传输线构成。短截线实现小型化的原理是利用其对主传输线阻抗的调节作用，通过调整短截线的长度和位置，可以改变主传输线的等效阻抗，从而实现阻抗匹配和小型化。在主传输线的特定位置并联一段长度为l的短截线，当短截线的长度和特性阻抗满足一定条件时，它可以与主传输线形成一个等效的阻抗变换网络，实现所需的阻抗变换。在设计一个工作在5GHz的小型化Wilkinson功分器时，通过在主传输线上合适的位置并联一段长度为3mm、特性阻抗为50Ω的短截线，有效地调整了主传输线的等效阻抗，实现了功分器的小型化，同时保持了较好的性能。在实际应用中，短截线的设计也需要注意一些问题。短截线的长度和位置对功分器的性能影响较大，需要通过精确的计算和仿真来确定最佳的长度和位置；短截线与主传输线的连接方式也会影响信号的传输，需要确保连接的可靠性和低损耗。4.3.3案例分析以2021年NethiniWeerathunge等人利用阶梯阻抗线和短截线设计的用于MMIC的小型化功分器为例，深入分析采用新型阻抗变换器的小型化功分器的性能提升和小型化效果。在该设计中，利用阶梯阻抗线和短截线代替传统Wilkinson功分器中的四分之一波长阻抗变换器。阶梯阻抗线通过合理设计不同特性阻抗的传输线段，实现了在较小的物理尺寸下完成阻抗变换功能；短截线则通过在合适的位置与主传输线连接，进一步调整了阻抗，优化了功分器的性能。从性能提升方面来看，经过测量，在5GHz-43GHz的频带范围，该结构的回波损耗优于10dB，这表明在较宽的频率范围内，输入端口与传输线之间的匹配良好，信号反射较小，保证了信号的高效传输。在20.3GHz-43GHz的频带范围输出端口间的隔离度优于10dB，有效减少了输出端口之间的信号串扰，提高了功分器输出信号的独立性和纯度。这些性能指标的提升，使得该小型化功分器能够更好地满足现代通信系统对高性能微波器件的需求。在小型化效果方面，相较于传统的Wilkinson功分器，该结构的尺寸减小了约57%。这一显著的小型化效果，使得该功分器能够更好地应用于MMIC中，满足了现代集成电路对小型化和高集成度的要求。在实际应用中，这种小型化功分器可以在有限的芯片面积上实现更多的功能集成，提高了系统的性能和可靠性。通过这个案例可以看出，采用新型阻抗变换器的小型化功分器在性能提升和小型化效果方面都具有明显的优势，为小型化Wilkinson功分器的设计提供了一种有效的技术方案和实践经验。4.4先进工艺实现小型化4.4.1多层结构与蜿蜒传输线多层结构和蜿蜒传输线是实现Wilkinson功分器小型化的重要工艺手段，它们通过独特的设计方式，有效地减少了电路面积，提升了功分器的小型化程度。多层结构的设计理念是将功分器的不同部分分布在多个信号层上，通过合理的布局和通孔连接，实现紧凑的电路结构。2019年，J.Tayebpour等学者设计了一款工作在VHF频段的大功率小型化Wilkinson功分器，采用了由两个地平面和三个信号层组成的紧凑多层结构。在这种结构中，两个Wilkinson的分支在两个不同的层中实现，并在底层进行组合。通过这种方式，充分利用了多层结构的空间优势，将原本在单层结构中占据较大面积的传输线和其他元件进行了合理的分层布局，使得电路布局更加紧凑，从而有效地减少了电路面积。多层结构还能够改善信号的传输性能。由于不同的信号层之间可以通过通孔进行连接，信号在传输过程中可以更加灵活地在不同层之间切换，减少了信号在传输过程中的损耗和干扰。在多层结构中，可以将不同功能的传输线分布在不同的层上，避免了它们之间的相互干扰，提高了信号的传输质量。蜿蜒传输线则是将功分器的四分之一波长阻抗变换器设计成蜿蜒的形状。这种设计方式在不改变传输线电长度的前提下，增加了传输线在有限空间内的物理长度。通过将传输线蜿蜒化，使得传输线可以在较小的面积内实现较长的电长度，从而达到减小电路尺寸的目的。在一些对尺寸要求严格的应用场景中，如小型化的卫星通信终端，采用蜿蜒传输线的Wilkinson功分器可以在有限的空间内实现信号的等功率分配，满足了设备对小型化的需求。蜿蜒传输线的设计还可以改善功分器的性能。由于蜿蜒传输线的形状可以改变信号的传输路径和相位，通过合理设计蜿蜒传输线的形状和参数，可以优化功分器的阻抗匹配和信号传输特性，从而提高功分器的回波损耗、隔离度等性能指标。在实际应用中，多层结构和蜿蜒传输线常常结合使用。在一些高性能的小型化Wilkinson功分器设计中，首先采用多层结构进行整体布局，将不同的功能模块分布在不同的信号层上，然后在信号层内，将传输线设计成蜿蜒形状，进一步减小电路面积。这种结合使用的方式能够充分发挥两种工艺的优势，在实现小型化的同时，保证功分器的性能满足实际应用的需求。4.4.23D打印等新兴工艺应用3D打印等新兴工艺在小型化Wilkinson功分器制造中展现出了巨大的应用潜力和独特优势。3D打印，即增材制造技术，它能够依据三维模型数据，通过逐层堆积材料的方式构建出实体物体。这种工艺在制造小型化Wilkinson功分器时，具有诸多显著优点。3D打印具有高度的设计自由度。传统的制造工艺，如光刻、蚀刻等，在制作复杂结构时往往受到诸多限制，而3D打印能够突破这些限制，实现传统工艺难以制造的复杂结构。在设计小型化Wilkinson功分器时，可以利用3D打印技术制作出具有复杂形状的传输线、阻抗变换器以及其他关键部件。通过优化设计，将传输线设计成具有特殊形状的结构，如螺旋状、曲折状等，以增加传输线在有限空间内的长度，实现慢波效应，从而减小功分器的尺寸。3D打印还可以实现多层结构的一体化制造，将不同功能的层集成在一起，减少了层间连接的复杂性和信号传输的损耗。3D打印在定制化方面具有明显优势。对于一些特殊应用场景，如航空航天、军事通信等领域，对Wilkinson功分器的性能和尺寸要求往往具有独特性。3D打印技术可以根据具体的需求，快速定制出满足特定要求的小型化Wilkinson功分器。在航空航天领域，由于设备的空间有限，需要功分器具有更小的尺寸和更高的性能。通过3D打印技术，可以根据航天器内部的空间布局和信号传输要求，定制出形状和尺寸精确匹配的功分器，提高了设备的集成度和性能。3D打印还可以实现小批量生产，对于一些需求数量较少但对性能要求较高的应用场景，3D打印能够在保证质量的前提下，快速生产出所需的功分器，降低了生产成本和生产周期。除了3D打印技术，其他新兴工艺也在小型化Wilkinson功分器制造中得到了探索和应用。纳米制造技术可以实现对材料的原子级操控，制造出具有纳米级尺寸的元件和结构。在小型化Wilkinson功分器中，利用纳米制造技术可以制造出尺寸极小的电感、电容等集总参数元件，进一步减小功分器的尺寸。并且可以制造出具有特殊性能的材料，如高介电常数、低损耗的纳米复合材料，用于功分器的制作，提高功分器的性能。微机电系统（MEMS）工艺也是一种重要的新兴工艺，它可以将微机械结构、电子元件和电路集成在一个微小的芯片上。在小型化Wilkinson功分器的制造中，MEMS工艺可以实现传输线、阻抗变换器等部件的微型化和集成化，提高功分器的性能和可靠性。4.4.3案例分析以2019年J.Tayebpour等学者设计的工作在VHF频段的大功率小型化Wilkinson功分器为例，深入分析采用多层结构的小型化功分器的性能和小型化成果。在该设计中，提出的多层结构由两个地平面和三个信号层组成，通过通孔连接。两个Wilkinson的分支在两个不同的层中实现，并且在底层进行组合。功分器四分之一波长阻抗变换器被设计成了蜿蜒的传输线。从性能方面来看，由于电路中没有无功集总元件，因此可以用于高功率场景。在VHF频段，该功分器能够稳定地工作，实现高效的功率分配。输入端口的回波损耗在工作频段内小于-15dB，表明输入端口与传输线匹配良好，信号反射小，保证了信号能够高效地输入到功分器中。两个输出端口的插入损耗在工作频段内小于-3.5dB，接近理论值-3dB，说明信号在分配过程中的功率损失较小，能够有效地将输入信号的功率分配到两个输出端口。输出端口间的隔离度在工作频段内大于20dB，有效减少了两个输出端口之间的信号串扰，保证了输出信号的独立性和纯度。在小型化成果方面，通过采用多层结构和蜿蜒传输线，该功分器的尺寸相比传统的Wilkinson功分器显著减小。在相同的工作频段下，传统功分器的尺寸较大，难以满足一些对空间要求严格的应用场景。而该设计通过合理的多层布局和蜿蜒传输线的设计，有效地利用了空间，减小了电路面积，使得功分器能够更好地应用于对尺寸要求较高的VHF频段设备中，如小型化的VHF通信基站等。通过这个案例可以看出，采用多层结构的小型化功分器在性能和小型化方面都取得了良好的成果，为小型化Wilkinson功分器的设计提供了一种有效的技术方案和实践经验。五、小型化Wilkinson功分器的应用案例分析5.1在通信系统中的应用5.1.1基站射频前端在现代通信系统中，基站射频前端是实现信号发射和接收的关键部分，而小型化Wilkinson功分器在其中发挥着不可或缺的作用。随着移动通信技术的快速发展，从4G到5G，乃至未来的6G，对基站的性能和集成度提出了越来越高的要求。小型化Wilkinson功分器凭借其紧凑的尺寸和优异的性能，能够满足基站射频前端在有限空间内实