小型化Wilkinson功分器的設(shè)計(jì)與創(chuàng)新：原理、技術(shù)與應(yīng)用探索一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代通信、雷達(dá)、電子對(duì)抗等領(lǐng)域，微波無源器件作為通信系統(tǒng)的基石，對(duì)整個(gè)通信系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)有著重大影響。功分器作為一種能夠?qū)⒁宦份斎胄盘?hào)的功率按照一定的比例分配到各個(gè)輸出支路中的器件，在射頻微波系統(tǒng)中應(yīng)用極為廣泛，對(duì)整個(gè)射頻饋電網(wǎng)絡(luò)起著至關(guān)重要的作用。Wilkinson功分器自1960年由E.J.Wilkinson首次發(fā)明以來，憑借其互易、匹配以及輸出端口間具有高隔離度等特性，在微波電路設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、寬帶寬、低插損的優(yōu)勢(shì)，并且易于實(shí)現(xiàn)平面化、集成化和小型化，成為了使用數(shù)量最多的微波無源器件之一。在實(shí)際應(yīng)用中，如在無線通信基站的射頻前端電路中，Wilkinson功分器被用于將功率放大器輸出的信號(hào)等功率分配到多個(gè)天線端口，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的有效發(fā)射；在雷達(dá)系統(tǒng)中，可將發(fā)射機(jī)的信號(hào)分配到不同的接收通道，用于目標(biāo)探測(cè)和定位。然而，隨著現(xiàn)代電子系統(tǒng)向小型化、輕量化、高集成度方向的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的Wilkinson功分器面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)Wilkinson功分器的物理尺寸與其工作頻率的波長成比例，在較低頻率下，其尺寸過大，這不僅不利于單片微波集成電路（MMIC）的設(shè)計(jì)，增加了制作成本，還限制了系統(tǒng)的集成度和小型化程度。例如，在一些便攜式通信設(shè)備中，由于空間有限，過大尺寸的功分器無法滿足設(shè)備小型化的需求。并且，隨著頻率的升高，在毫米波頻段，微帶傳輸線的不連續(xù)性影響變得突出，這會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的反射、散射增加，從而影響功分器的性能，如插入損耗增大、隔離度降低等。小型化Wilkinson功分器的研究對(duì)于提升系統(tǒng)性能和降低成本具有關(guān)鍵作用。從提升系統(tǒng)性能方面來看，小型化的功分器能夠更好地適應(yīng)現(xiàn)代電子系統(tǒng)緊湊的布局要求，減少信號(hào)傳輸路徑中的損耗和干擾，提高系統(tǒng)的整體性能。在多通道通信系統(tǒng)中，小型化功分器可以使各通道之間的信號(hào)傳輸更加穩(wěn)定，減少信號(hào)之間的串?dāng)_，從而提高通信質(zhì)量。在降低成本方面，小型化意味著可以在相同的芯片面積上集成更多的功能模塊，減少了材料和制造成本。同時(shí)，由于尺寸減小，在大規(guī)模生產(chǎn)中，單位面積的產(chǎn)量增加，進(jìn)一步降低了單個(gè)器件的成本。綜上所述，開展小型化Wilkinson功分器的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值，對(duì)于推動(dòng)現(xiàn)代通信等領(lǐng)域的發(fā)展具有不可或缺的作用。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀自1960年E.J.Wilkinson發(fā)明Wilkinson功分器以來，其憑借結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、寬帶寬、低插損、高隔離度以及易于平面化、集成化和小型化等優(yōu)勢(shì)，在微波電路領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)功分器的小型化需求日益迫切，國內(nèi)外學(xué)者圍繞這一方向展開了大量研究。國外在小型化Wilkinson功分器研究方面起步較早，取得了一系列具有代表性的成果。2001年，Jong-SikLim等人利用傳統(tǒng)的Wilkinson功分器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和缺陷地（DGS）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過增加微帶線的特性阻抗，突破了加工工藝中對(duì)高阻抗微帶線的限制，實(shí)現(xiàn)了一定程度的小型化。在2005年，Liang-HungLu等人在0.18um互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝下，利用傳輸線T型等效將傳統(tǒng)Wilkinson功分器的四分之一波長阻抗變換器轉(zhuǎn)換為集總參數(shù)電路，并采用有源電感器作為集總參數(shù)電感，成功減小了電路面積，該結(jié)構(gòu)在中心工作頻率4.5GHz處展現(xiàn)出優(yōu)異性能，回波損耗優(yōu)于30dB，插損優(yōu)于0.16dB。2019年，J.Tayebpour等學(xué)者設(shè)計(jì)出一款工作在VHF頻段的大功率小型化Wilkinson功分器，他們提出的由兩個(gè)地平面和三個(gè)信號(hào)層組成的緊湊多層結(jié)構(gòu)，通過將功分器四分之一波長阻抗變換器設(shè)計(jì)成蜿蜒的傳輸線，有效減小了電路尺寸，且該結(jié)構(gòu)因無無功集總元件，可用于高功率場(chǎng)景。2021年，M.L.Laurenzid等人采用低溫共燒陶瓷（LTCC）工藝設(shè)計(jì)了用于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的小型化雙頻功分器，充分利用了LTCC極高介電常數(shù)低損耗的材料特性，實(shí)現(xiàn)了功分器的小型化。同年，NethiniWeerathunge等人利用階梯阻抗線和短截線設(shè)計(jì)了一款用于MMIC的小型化功分器，并通過電容網(wǎng)絡(luò)提高輸出端口間的隔離度，相較于傳統(tǒng)Wilkinson功分器，該結(jié)構(gòu)尺寸減小了約57%。國內(nèi)在小型化Wilkinson功分器研究方面也取得了顯著進(jìn)展。許銀生等人通過對(duì)微帶T型結(jié)構(gòu)和微帶拐角的不連續(xù)性研究，設(shè)計(jì)出新型的Wilkinson功分器，降低了微帶不連續(xù)性的影響，實(shí)現(xiàn)了體積微型化。李博博等人提出一種基于耦合線的新型結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了寬頻比的雙頻Wilkinson功分器小型化設(shè)計(jì)，通過奇偶模法獲得設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的參數(shù)方程，經(jīng)Matlab擬合和ADS仿真優(yōu)化，加工出工作在2.4GHz和5.8GHz兩個(gè)WiFi頻段的雙頻Wilkinson功分器，電路尺寸為0.19λ×0.14λ，測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好。還有研究人員采用多層PCB壓合技術(shù)，選用成本低廉的羅杰斯板材，通過多層介質(zhì)填充增大電路的有效介電常數(shù)，同時(shí)采取螺旋繞線代替?zhèn)鹘y(tǒng)微帶線，避免了單層布局局限，延長了電路路徑，實(shí)現(xiàn)了小型化目的，并且在介質(zhì)板中間挖槽方便大功率負(fù)載安裝，增加了隔離度，拓寬了應(yīng)用領(lǐng)域。然而，現(xiàn)有研究仍存在一些不足之處。一方面，在小型化的同時(shí)，部分設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致功分器的帶寬變窄，難以滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)對(duì)寬頻帶的需求。基于集總參數(shù)元件的小型化功分器，由于其等效電路模型帶寬的限制，在多級(jí)功分器設(shè)計(jì)中應(yīng)用困難，限制了小型化功分器的帶寬拓展。另一方面，一些小型化設(shè)計(jì)雖然在尺寸上有明顯減小，但會(huì)使插入損耗增加、隔離度降低等性能指標(biāo)惡化，影響了功分器在實(shí)際系統(tǒng)中的應(yīng)用效果。還有在工藝實(shí)現(xiàn)方面，部分復(fù)雜的小型化結(jié)構(gòu)對(duì)加工工藝要求較高，增加了制作成本和難度，不利于大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容本論文圍繞小型化Wilkinson功分器展開深入研究，具體內(nèi)容如下：Wilkinson功分器原理深入剖析：詳細(xì)研究Wilkinson功分器的基本原理，基于傳輸線理論和奇偶模分析法，深入理解其通過合理設(shè)計(jì)傳輸線長度和電阻值，實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)等功率分配以及輸出端口間良好隔離的工作機(jī)制。對(duì)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行全面分析，明確輸入/輸出端口、兩段1/4波長傳輸線及一個(gè)電阻在整個(gè)結(jié)構(gòu)中的作用和相互關(guān)系，為后續(xù)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。小型化設(shè)計(jì)方法研究：系統(tǒng)研究實(shí)現(xiàn)Wilkinson功分器小型化的多種設(shè)計(jì)方法。探究利用慢波結(jié)構(gòu)，如在微帶、共面波導(dǎo)、基片集成波導(dǎo)形式的傳輸線上加載蛇形線、交指電容、螺旋電感、缺陷地結(jié)構(gòu)、電磁帶隙結(jié)構(gòu)等，增加傳輸線上等效集總電容和電感，從而實(shí)現(xiàn)小型化的原理和具體實(shí)現(xiàn)方式。研究使用集總參數(shù)元件或者開路枝節(jié)的方法，將傳統(tǒng)Wilkinson功分器中部分傳輸線用集總參數(shù)電路代替，或在電路中加入集總參數(shù)元件，以實(shí)現(xiàn)小型化并保持理想性能的技術(shù)路徑。分析使用改進(jìn)后的阻抗變換器，用改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)功分器中的阻抗變換器，實(shí)現(xiàn)功分器小型化或減少集總RLC元件帶來分布式參數(shù)效應(yīng)的可行性和優(yōu)勢(shì)。探討使用先進(jìn)工藝，如將功分器的阻抗變換器進(jìn)行蜿蜒或者分成多層結(jié)構(gòu)，取代集總RLC元器件，使功分器布局更加緊湊，減少電路面積的具體工藝實(shí)現(xiàn)和效果優(yōu)化。小型化技術(shù)性能分析與優(yōu)化：對(duì)各種小型化技術(shù)在實(shí)現(xiàn)Wilkinson功分器小型化過程中對(duì)其性能的影響進(jìn)行深入分析。研究小型化設(shè)計(jì)對(duì)功分器帶寬的影響，分析在實(shí)現(xiàn)小型化的同時(shí)導(dǎo)致帶寬變窄的原因和機(jī)制，探索拓寬帶寬的方法和策略。分析小型化設(shè)計(jì)對(duì)功分器插入損耗和隔離度的影響，研究如何在實(shí)現(xiàn)小型化的同時(shí)，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)和選擇合適的材料及工藝，降低插入損耗，提高隔離度，確保功分器性能的穩(wěn)定性和可靠性。針對(duì)小型化設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的性能惡化問題，提出針對(duì)性的優(yōu)化措施和解決方案，通過理論分析、仿真優(yōu)化和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，提高小型化Wilkinson功分器的綜合性能。應(yīng)用案例研究與分析：選取典型的通信、雷達(dá)等系統(tǒng)，深入研究小型化Wilkinson功分器在這些實(shí)際系統(tǒng)中的應(yīng)用案例。分析在不同應(yīng)用場(chǎng)景下，小型化Wilkinson功分器的具體應(yīng)用需求和技術(shù)要求，如在通信系統(tǒng)中對(duì)信號(hào)傳輸質(zhì)量和穩(wěn)定性的要求，在雷達(dá)系統(tǒng)中對(duì)功率分配精度和抗干擾能力的要求等。研究小型化Wilkinson功分器在實(shí)際應(yīng)用中的性能表現(xiàn)，通過實(shí)際測(cè)試和數(shù)據(jù)分析，評(píng)估其在滿足系統(tǒng)需求方面的優(yōu)勢(shì)和不足，為進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供實(shí)際依據(jù)。總結(jié)小型化Wilkinson功分器在實(shí)際應(yīng)用中的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，探索其在不同應(yīng)用領(lǐng)域的拓展和應(yīng)用前景，為推動(dòng)小型化Wilkinson功分器的廣泛應(yīng)用提供參考和指導(dǎo)。1.3.2研究方法本論文采用多種研究方法，以確保研究的全面性、深入性和可靠性：理論分析方法：深入研究微波理論和傳輸線理論，為Wilkinson功分器的原理分析和設(shè)計(jì)提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。運(yùn)用奇偶模分析法，對(duì)Wilkinson功分器的工作原理進(jìn)行深入剖析，通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)和理論計(jì)算，明確傳輸線長度、電阻值等參數(shù)與功分器性能之間的關(guān)系，為功分器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。研究各種小型化技術(shù)的原理和實(shí)現(xiàn)方法，從理論層面分析其對(duì)功分器性能的影響，為選擇合適的小型化技術(shù)和設(shè)計(jì)方案提供理論依據(jù)。案例研究方法：廣泛收集國內(nèi)外關(guān)于小型化Wilkinson功分器的研究案例和實(shí)際應(yīng)用案例，對(duì)這些案例進(jìn)行詳細(xì)的分析和研究。分析不同案例中所采用的小型化技術(shù)、設(shè)計(jì)方法和工藝實(shí)現(xiàn)，總結(jié)其成功經(jīng)驗(yàn)和存在的問題。通過對(duì)比不同案例的性能指標(biāo)和應(yīng)用效果，找出影響小型化Wilkinson功分器性能的關(guān)鍵因素，為本文的研究和設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。仿真實(shí)驗(yàn)方法：利用專業(yè)的電磁仿真軟件，如ADS（AdvancedDesignSystem）、HFSS（HighFrequencyStructureSimulator）等，對(duì)Wilkinson功分器進(jìn)行建模和仿真分析。通過設(shè)置不同的參數(shù)和條件，模擬功分器在不同工作狀態(tài)下的性能表現(xiàn)，如回波損耗、插入損耗、隔離度等。根據(jù)仿真結(jié)果，對(duì)功分器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，通過多次迭代仿真，使功分器的性能達(dá)到最佳狀態(tài)。搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，制作小型化Wilkinson功分器的實(shí)物樣品，對(duì)其進(jìn)行實(shí)際測(cè)試和驗(yàn)證。將測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性和可靠性，同時(shí)進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，提高功分器的實(shí)際性能。二、Wilkinson功分器基本原理2.1功分器的定義與功能功分器，全稱為功率分配器（PowerDivider），是一種在射頻微波領(lǐng)域中極為重要的無源器件。其核心功能是將一路輸入信號(hào)的功率按照特定的比例，分配到多個(gè)輸出端口。這一功能使得功分器在眾多射頻微波系統(tǒng)中成為不可或缺的組成部分。從定義上來說，它是一個(gè)多端口網(wǎng)絡(luò)，通常包含一個(gè)輸入端口和兩個(gè)或多個(gè)輸出端口，輸入信號(hào)通過功分器后，被等比例或不等比例地分配到各個(gè)輸出端口。在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，功分器發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。在5G基站的射頻前端，需要將功率放大器輸出的大功率信號(hào)等功率分配到多個(gè)天線端口，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的均勻輻射和覆蓋。此時(shí)，功分器就像是一個(gè)信號(hào)的“分發(fā)樞紐”，確保每個(gè)天線都能接收到合適功率的信號(hào)，從而提高通信系統(tǒng)的整體性能和覆蓋范圍。在雷達(dá)系統(tǒng)中，功分器用于將發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的信號(hào)分配到不同的接收通道，這些通道中的信號(hào)經(jīng)過處理后可以用于目標(biāo)的探測(cè)、定位和跟蹤。通過精確的功率分配，雷達(dá)系統(tǒng)能夠更準(zhǔn)確地獲取目標(biāo)的信息，提高探測(cè)的精度和可靠性。在電子對(duì)抗系統(tǒng)中，功分器可將干擾信號(hào)分配到多個(gè)發(fā)射天線，以增強(qiáng)干擾效果，擾亂敵方的通信和雷達(dá)系統(tǒng)。功分器還廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、廣播電視等領(lǐng)域，在衛(wèi)星通信地面站中，功分器用于將接收的衛(wèi)星信號(hào)分配到不同的處理單元，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的解調(diào)、解碼等操作。在廣播電視發(fā)射系統(tǒng)中，功分器將信號(hào)分配到多個(gè)發(fā)射天線，以擴(kuò)大信號(hào)的覆蓋范圍，確保更多的用戶能夠接收到高質(zhì)量的廣播電視信號(hào)。功分器的性能直接影響著整個(gè)射頻微波系統(tǒng)的性能。如果功分器的功率分配不均勻，會(huì)導(dǎo)致某些輸出端口的信號(hào)功率過高或過低，從而影響后續(xù)設(shè)備的正常工作。在通信系統(tǒng)中，功率分配不均勻可能導(dǎo)致部分天線發(fā)射的信號(hào)過強(qiáng)或過弱，影響通信質(zhì)量和覆蓋范圍。功分器的插入損耗、隔離度、回波損耗等性能指標(biāo)也對(duì)系統(tǒng)性能有著重要影響。插入損耗過大，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)功率在傳輸過程中大量損失，降低系統(tǒng)的效率；隔離度不足，會(huì)使得輸出端口之間的信號(hào)相互干擾，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性；回波損耗過大，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)在端口處反射，降低信號(hào)的傳輸效率。因此，在設(shè)計(jì)和應(yīng)用功分器時(shí)，需要充分考慮其性能指標(biāo)，以確保整個(gè)射頻微波系統(tǒng)的正常運(yùn)行和高性能表現(xiàn)。2.2Wilkinson功分器的結(jié)構(gòu)與工作原理Wilkinson功分器是一種在微波和射頻領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的功率分配器，由美國無線電工程師E.J.Wilkinson于1960年發(fā)明。其結(jié)構(gòu)通常由傳輸線和隔離電阻組成，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的等功率分配和輸出端口間的良好隔離。最常見的Wilkinson功分器為二等分功分器，它包含一個(gè)輸入端口（Port1）和兩個(gè)輸出端口（Port2和Port3）。在結(jié)構(gòu)上，從輸入端口到兩個(gè)輸出端口分別連接著兩段特性阻抗為Z_1、長度為\frac{\lambda}{4}（\lambda為信號(hào)波長）的傳輸線，在兩個(gè)輸出端口之間跨接一個(gè)電阻R。一般情況下，輸入/輸出端口的特性阻抗Z_0通常設(shè)為50Ω，這是因?yàn)樵谖⒉ㄏ到y(tǒng)中，50Ω是一種標(biāo)準(zhǔn)的特性阻抗，便于與其他微波器件進(jìn)行匹配和連接，以確保信號(hào)的高效傳輸。對(duì)于等功分的Wilkinson功分器，根據(jù)理論推導(dǎo)，Z_1=\sqrt{2}Z_0，R=2Z_0。例如，當(dāng)Z_0=50Ω時(shí)，Z_1約為70.7Ω，R為100Ω。為了更深入地理解Wilkinson功分器的工作原理，這里引入奇偶模分析法。奇偶模分析法是微波電路分析中常用的一種方法，其核心思想是將一個(gè)復(fù)雜的多端口網(wǎng)絡(luò)的激勵(lì)分解為偶模激勵(lì)和奇模激勵(lì)兩種簡(jiǎn)單的模式，分別對(duì)這兩種模式進(jìn)行分析，然后根據(jù)線性疊加原理得到網(wǎng)絡(luò)的總響應(yīng)。這種方法可以將復(fù)雜的多端口問題簡(jiǎn)化為多個(gè)單端口問題進(jìn)行分析，從而降低分析的難度。假設(shè)輸入信號(hào)為V_{in}，幅度為V_0。當(dāng)信號(hào)從輸入端口輸入時(shí)，將其分解為偶模和奇模兩種情況進(jìn)行分析：偶模激勵(lì)：在偶模激勵(lì)下，假設(shè)兩個(gè)輸出端口的電壓大小相等、相位相同，即V_{2e}=V_{3e}=\frac{V_0}{2}。由于兩個(gè)輸出端口的電壓相等，所以跨接在兩個(gè)輸出端口之間的電阻R上沒有電流通過（因?yàn)殡娮鑳啥穗妷翰顬?），此時(shí)電阻R相當(dāng)于開路，不影響信號(hào)的傳輸。根據(jù)傳輸線理論，對(duì)于長度為\frac{\lambda}{4}的傳輸線，其輸入阻抗Z_{in}與特性阻抗Z_1和負(fù)載阻抗Z_{L}之間的關(guān)系為Z_{in}=\frac{Z_1^2}{Z_{L}}。在偶模情況下，負(fù)載阻抗Z_{L}=Z_0（輸出端口接匹配負(fù)載），則從輸入端口看進(jìn)去的偶模輸入阻抗Z_{in,e}=\frac{Z_1^2}{Z_0}。將Z_1=\sqrt{2}Z_0代入可得Z_{in,e}=2Z_0，這與輸入端口的源阻抗Z_0不匹配，會(huì)產(chǎn)生反射。但是，由于偶模激勵(lì)下，兩個(gè)輸出端口的反射波幅度相等、相位相同，在輸入端口處相互抵消，從而使得輸入端口在偶模激勵(lì)下實(shí)現(xiàn)了匹配，無反射。此時(shí)，輸入信號(hào)的功率被等分為兩路，分別傳輸?shù)絻蓚€(gè)輸出端口，每個(gè)輸出端口得到的功率為輸入功率的一半，即P_{2e}=P_{3e}=\frac{1}{2}P_{in}。奇模激勵(lì)：在奇模激勵(lì)下，假設(shè)兩個(gè)輸出端口的電壓大小相等、相位相反，即V_{2o}=-V_{3o}=\frac{V_0}{2}。此時(shí)，電阻R兩端的電壓差為V_{2o}-V_{3o}=V_0，電阻R中有電流通過。根據(jù)傳輸線理論，從輸入端口看進(jìn)去的奇模輸入阻抗Z_{in,o}=\frac{Z_1^2}{Z_{L}+R}（這里Z_{L}=Z_0）。將Z_1=\sqrt{2}Z_0，R=2Z_0代入可得Z_{in,o}=Z_0，這與輸入端口的源阻抗Z_0匹配，無反射。在奇模激勵(lì)下，由于電阻R的存在，使得兩個(gè)輸出端口之間的信號(hào)相互隔離。當(dāng)一個(gè)輸出端口有信號(hào)輸入時(shí)，通過電阻R的作用，使得另一個(gè)輸出端口不會(huì)接收到該信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了輸出端口間的高隔離度。根據(jù)線性疊加原理，將偶模和奇模的分析結(jié)果進(jìn)行疊加，就可以得到Wilkinson功分器在實(shí)際輸入信號(hào)下的工作情況。在實(shí)際工作中，輸入信號(hào)可以看作是偶模和奇模的疊加，通過合理設(shè)計(jì)傳輸線的長度和電阻值，使得功分器在輸入端口實(shí)現(xiàn)良好的匹配，無反射；在輸出端口實(shí)現(xiàn)等功率分配，并且輸出端口間具有高隔離度。例如，在一個(gè)工作頻率為2.4GHz的無線通信系統(tǒng)中，采用Wilkinson功分器將信號(hào)等功率分配到兩個(gè)天線端口進(jìn)行發(fā)射。通過精確設(shè)計(jì)功分器的傳輸線長度和電阻值，使得功分器在2.4GHz頻率下，輸入端口的回波損耗小于-20dB，表明輸入端口與傳輸線匹配良好，信號(hào)反射小；兩個(gè)輸出端口的插入損耗小于-3.5dB，接近理論值-3dB，說明信號(hào)在分配過程中的功率損失較小；輸出端口間的隔離度大于25dB，有效減少了兩個(gè)輸出端口之間的信號(hào)串?dāng)_，保證了通信系統(tǒng)的正常運(yùn)行。2.3性能指標(biāo)與參數(shù)Wilkinson功分器的性能指標(biāo)是衡量其工作特性和應(yīng)用效果的關(guān)鍵參數(shù)，這些指標(biāo)直接影響著功分器在各類射頻微波系統(tǒng)中的性能表現(xiàn)。主要性能指標(biāo)包括插入損耗、回波損耗、隔離度、幅度平衡度和相位平衡度等，每個(gè)指標(biāo)都反映了功分器不同方面的性能特點(diǎn)。插入損耗（InsertionLoss）是指信號(hào)從輸入端口傳輸?shù)捷敵龆丝谶^程中所產(chǎn)生的功率損失，通常用分貝（dB）來表示。理想情況下，功分器的插入損耗應(yīng)為0dB，即信號(hào)在傳輸過程中沒有功率損失。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于傳輸線的電阻、介質(zhì)損耗以及不連續(xù)性等因素的影響，插入損耗總是存在的。插入損耗的計(jì)算公式為：IL=-10log_{10}(\frac{P_{out}}{P_{in}})，其中P_{in}是輸入功率，P_{out}是輸出功率。插入損耗越小，說明信號(hào)在傳輸過程中的功率損失越小，功分器的傳輸效率越高。對(duì)于Wilkinson功分器，其插入損耗主要來源于傳輸線的電阻損耗和介質(zhì)損耗。傳輸線的電阻會(huì)導(dǎo)致信號(hào)在傳輸過程中產(chǎn)生熱損耗，使得信號(hào)功率下降；介質(zhì)損耗則是由于介質(zhì)材料的非理想特性，導(dǎo)致信號(hào)在傳輸過程中與介質(zhì)相互作用，產(chǎn)生能量損耗。一般來說，Wilkinson功分器的插入損耗在幾dB以內(nèi)，在一些高性能的設(shè)計(jì)中，插入損耗可以控制在0.5dB以下。如果插入損耗過大，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)功率下降，影響系統(tǒng)的通信距離和靈敏度。在無線通信系統(tǒng)中，過大的插入損耗會(huì)使接收端接收到的信號(hào)強(qiáng)度減弱，增加誤碼率，降低通信質(zhì)量。回波損耗（ReturnLoss）用于衡量功分器輸入端口信號(hào)反射的程度，同樣以分貝（dB）為單位。它反映了功分器與傳輸線之間的匹配程度。回波損耗越大，說明信號(hào)反射越小，功分器與傳輸線的匹配越好；反之，回波損耗越小，信號(hào)反射越大，匹配越差。回波損耗的計(jì)算公式為：RL=-20log_{10}(|\Gamma|)，其中\(zhòng)Gamma是反射系數(shù)。當(dāng)功分器輸入端口的阻抗與傳輸線的特性阻抗完全匹配時(shí)，反射系數(shù)\Gamma=0，回波損耗為無窮大，表示沒有信號(hào)反射；而當(dāng)兩者阻抗不匹配時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生信號(hào)反射，回波損耗變小。在Wilkinson功分器中，回波損耗主要受端口阻抗匹配的影響。如果功分器的輸入端口阻抗與傳輸線的特性阻抗不匹配，信號(hào)在輸入端口就會(huì)發(fā)生反射，反射的信號(hào)會(huì)與原信號(hào)相互干涉，導(dǎo)致信號(hào)失真和功率損失。一般要求Wilkinson功分器的回波損耗在10dB以上，在一些對(duì)信號(hào)傳輸質(zhì)量要求較高的場(chǎng)合，回波損耗需要達(dá)到20dB甚至更高。在雷達(dá)系統(tǒng)中，回波損耗過大可能會(huì)導(dǎo)致雷達(dá)接收到的目標(biāo)回波信號(hào)受到干擾，影響目標(biāo)的探測(cè)和定位精度。隔離度（Isolation）是指功分器兩個(gè)輸出端口之間的信號(hào)隔離程度，以分貝（dB）表示。隔離度越高，說明兩個(gè)輸出端口之間的信號(hào)串?dāng)_越小，功分器的性能越穩(wěn)定。在Wilkinson功分器中，通過在兩個(gè)輸出端口之間連接一個(gè)隔離電阻來實(shí)現(xiàn)輸出端口間的高隔離度。隔離度的計(jì)算公式為：I=-10log_{10}(\frac{P_{32}}{P_{in2}})，其中P_{in2}是從端口2輸入的功率，P_{32}是從端口2輸入功率時(shí)在端口3測(cè)得的功率。理想情況下，當(dāng)一個(gè)輸出端口有信號(hào)輸入時(shí)，另一個(gè)輸出端口應(yīng)該沒有信號(hào)輸出，即隔離度為無窮大。但在實(shí)際中，由于各種因素的影響，總會(huì)存在一定程度的信號(hào)串?dāng)_，隔離度是有限值。隔離度主要受隔離電阻的影響，隔離電阻的阻值和精度會(huì)直接影響到輸出端口間的隔離效果。如果隔離電阻的阻值不準(zhǔn)確，或者在制作過程中存在偏差，就會(huì)導(dǎo)致隔離度下降。一般來說，Wilkinson功分器的隔離度在20dB以上，在一些對(duì)信號(hào)隔離要求較高的系統(tǒng)中，如多通道通信系統(tǒng)，隔離度需要達(dá)到30dB以上，以確保各個(gè)通道之間的信號(hào)互不干擾。幅度平衡度（AmplitudeBalance）是指功分器兩個(gè)輸出端口信號(hào)幅度的平衡程度，通常以分貝（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勻性。在等功分的Wilkinson功分器中，理想情況下兩個(gè)輸出端口的信號(hào)幅度應(yīng)該相等，即幅度平衡度為0dB。但在實(shí)際制作過程中，由于傳輸線的長度、寬度、介質(zhì)材料等因素的微小差異，以及制作工藝的誤差，會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)輸出端口的信號(hào)幅度存在一定的差異。幅度平衡度的計(jì)算公式為：AB=20log_{10}(\frac{A_{max}}{A_{min}})，其中A_{max}和A_{min}分別是兩個(gè)輸出端口信號(hào)幅度的最大值和最小值。幅度平衡度主要受傳輸線參數(shù)和制作工藝的影響。傳輸線的長度和寬度不一致會(huì)導(dǎo)致信號(hào)在傳輸過程中的衰減不同，從而影響輸出端口的信號(hào)幅度平衡度；制作工藝的誤差，如微帶線的蝕刻精度、電阻的焊接質(zhì)量等，也會(huì)對(duì)幅度平衡度產(chǎn)生影響。一般要求Wilkinson功分器的幅度平衡度在0.5dB以內(nèi)，在一些對(duì)信號(hào)幅度一致性要求較高的應(yīng)用中，如相控陣?yán)走_(dá)的饋電網(wǎng)絡(luò)，幅度平衡度需要控制在0.2dB以內(nèi)，以保證各個(gè)天線單元接收到的信號(hào)幅度一致，從而實(shí)現(xiàn)精確的波束掃描和信號(hào)合成。相位平衡度（PhaseBalance）是指功分器兩個(gè)輸出端口信號(hào)相位的差異，通常以度（°）為單位。相位平衡度反映了功分器在信號(hào)傳輸過程中對(duì)信號(hào)相位的影響。在一些需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行相位合成或相干處理的系統(tǒng)中，如相控陣?yán)走_(dá)、通信中的MIMO系統(tǒng)等，相位平衡度是一個(gè)非常重要的指標(biāo)。在理想情況下，功分器兩個(gè)輸出端口的信號(hào)相位應(yīng)該相同，即相位平衡度為0°。但在實(shí)際中，由于傳輸線的長度、介質(zhì)材料的色散特性以及制作工藝的誤差等因素的影響，會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)輸出端口的信號(hào)相位存在一定的差異。相位平衡度主要受傳輸線長度和介質(zhì)色散的影響。傳輸線長度的微小差異會(huì)導(dǎo)致信號(hào)在傳輸過程中的延遲不同，從而產(chǎn)生相位差；介質(zhì)材料的色散特性會(huì)使不同頻率的信號(hào)在傳輸過程中具有不同的傳播速度，也會(huì)導(dǎo)致相位差的產(chǎn)生。相位平衡度的計(jì)算公式較為復(fù)雜，一般通過相位測(cè)量?jī)x器來直接測(cè)量?jī)蓚€(gè)輸出端口信號(hào)的相位差。一般要求Wilkinson功分器的相位平衡度在5°以內(nèi)，在一些對(duì)相位精度要求極高的應(yīng)用中，如高精度的相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)，相位平衡度需要控制在1°以內(nèi)，以確保信號(hào)在合成或相干處理時(shí)能夠達(dá)到最佳效果。三、小型化Wilkinson功分器的設(shè)計(jì)方法3.1傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法概述傳統(tǒng)的Wilkinson功分器設(shè)計(jì)主要基于傳輸線理論，其設(shè)計(jì)步驟嚴(yán)謹(jǐn)且具有系統(tǒng)性。以常見的二等分Wilkinson功分器為例，首先需要明確設(shè)計(jì)的基本參數(shù)，其中工作頻率是一個(gè)關(guān)鍵的起始參數(shù)。工作頻率決定了信號(hào)的波長，而波長在后續(xù)的傳輸線長度計(jì)算中起著至關(guān)重要的作用。通常情況下，微波系統(tǒng)中輸入/輸出端口的特性阻抗會(huì)選擇50Ω，這是因?yàn)?0Ω是微波領(lǐng)域中廣泛采用的標(biāo)準(zhǔn)阻抗，便于與其他微波器件進(jìn)行匹配連接，確保信號(hào)在傳輸過程中的高效性和穩(wěn)定性。在確定了工作頻率和輸入/輸出端口特性阻抗后，下一步是根據(jù)功率分配比例來計(jì)算傳輸線的特性阻抗和長度。對(duì)于等功分的Wilkinson功分器，從傳輸線理論和奇偶模分析法可知，兩段從輸入端口到輸出端口的傳輸線特性阻抗Z_1與輸入/輸出端口特性阻抗Z_0存在特定關(guān)系，即Z_1=\sqrt{2}Z_0。在實(shí)際應(yīng)用中，若Z_0為50Ω，則Z_1約為70.7Ω。同時(shí)，這兩段傳輸線的長度通常設(shè)計(jì)為\frac{\lambda}{4}，這里的\lambda是信號(hào)在傳輸線介質(zhì)中的波長，其計(jì)算公式為\lambda=\frac{\lambda_0}{\sqrt{\varepsilon_r}}，其中\(zhòng)lambda_0是信號(hào)在自由空間中的波長，可由公式\lambda_0=\frac{c}{f}計(jì)算得出，c為光速，f為工作頻率，\varepsilon_r是傳輸線介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。在計(jì)算出傳輸線特性阻抗和長度后，還需要確定隔離電阻R的值，對(duì)于等功分的Wilkinson功分器，R=2Z_0。在完成理論計(jì)算后，需要選擇合適的傳輸線類型，常見的有微帶線、帶狀線、共面波導(dǎo)等。不同的傳輸線類型具有各自的特點(diǎn)和適用場(chǎng)景，微帶線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于集成的優(yōu)點(diǎn)，在平面微波電路中應(yīng)用廣泛；帶狀線的信號(hào)傳輸性能較好，適用于對(duì)信號(hào)質(zhì)量要求較高的場(chǎng)合；共面波導(dǎo)則在一些需要便于與其他平面元件連接的情況下使用。選擇傳輸線類型時(shí)，需要綜合考慮工作頻率、功率容量、制作工藝以及成本等因素。例如，在高頻段，微帶線的損耗會(huì)增加，此時(shí)可能需要選擇損耗更低的帶狀線；而在對(duì)成本較為敏感的大規(guī)模生產(chǎn)中，微帶線因其制作工藝相對(duì)簡(jiǎn)單、成本較低而更具優(yōu)勢(shì)。在確定了傳輸線類型后，需要根據(jù)傳輸線的特性阻抗計(jì)算其物理尺寸，如微帶線的寬度。微帶線的寬度與特性阻抗之間存在特定的關(guān)系，可以通過相關(guān)的計(jì)算公式或設(shè)計(jì)圖表來確定。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，還需要考慮微帶線的加工精度和公差，以確保實(shí)際制作的微帶線特性阻抗與設(shè)計(jì)值相符。在設(shè)計(jì)過程中，還需要考慮微帶線的不連續(xù)性，如T型結(jié)、拐角等，這些不連續(xù)性會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的反射和散射，影響功分器的性能。通常需要采取一些補(bǔ)償措施，如在不連續(xù)處添加補(bǔ)償電容或電感，或者優(yōu)化不連續(xù)處的結(jié)構(gòu)形狀，以減小不連續(xù)性對(duì)信號(hào)的影響。傳統(tǒng)Wilkinson功分器在低頻段時(shí)，由于其傳輸線長度與波長相關(guān)，導(dǎo)致物理尺寸較大。在一些對(duì)尺寸要求嚴(yán)格的應(yīng)用場(chǎng)景，如便攜式通信設(shè)備、衛(wèi)星通信終端等，過大的功分器尺寸不僅占用過多空間，還會(huì)增加系統(tǒng)的重量和成本，不利于系統(tǒng)的小型化和輕量化設(shè)計(jì)。在高頻段，尤其是毫米波頻段，微帶傳輸線的不連續(xù)性影響變得更為突出。T型結(jié)、拐角以及與隔離電阻的連接點(diǎn)等不連續(xù)結(jié)構(gòu)，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的反射和散射明顯增加。這些反射和散射信號(hào)會(huì)與原信號(hào)相互干涉，從而導(dǎo)致插入損耗增大，信號(hào)在傳輸過程中的能量損失增加，降低了功分器的傳輸效率；隔離度降低，輸出端口之間的信號(hào)串?dāng)_增強(qiáng)，影響了功分器輸出信號(hào)的獨(dú)立性和純度；回波損耗變差，信號(hào)在端口處的反射增多，降低了信號(hào)的傳輸效率和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。傳統(tǒng)Wilkinson功分器在面對(duì)現(xiàn)代電子系統(tǒng)對(duì)小型化和高性能的需求時(shí)，存在一定的局限性，需要探索新的設(shè)計(jì)方法來實(shí)現(xiàn)小型化并提高性能。3.2小型化設(shè)計(jì)思路與策略為了實(shí)現(xiàn)Wilkinson功分器的小型化，同時(shí)保持其良好的性能，需要從多個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)思路的探索和策略的制定。小型化設(shè)計(jì)不僅要考慮如何減小功分器的物理尺寸，還要兼顧其在插入損耗、回波損耗、隔離度等關(guān)鍵性能指標(biāo)上的表現(xiàn)，以滿足現(xiàn)代電子系統(tǒng)對(duì)高性能、小型化微波器件的需求。采用集總參數(shù)元件是實(shí)現(xiàn)小型化的重要思路之一。傳統(tǒng)的Wilkinson功分器基于分布參數(shù)傳輸線，其尺寸與工作波長相關(guān)，在低頻段尺寸較大。而集總參數(shù)元件，如電感、電容等，能夠在較小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)類似傳輸線的功能。在2005年，Liang-HungLu等人在0.18um互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝下，利用傳輸線T型等效將傳統(tǒng)Wilkinson功分器的四分之一波長阻抗變換器轉(zhuǎn)換為集總參數(shù)電路，并采用有源電感器作為集總參數(shù)電感，成功減小了電路面積。這種方法的原理在于，通過合理設(shè)計(jì)集總參數(shù)元件的數(shù)值和連接方式，可以等效模擬傳輸線的特性阻抗和相移特性。在等效過程中，需要精確計(jì)算集總參數(shù)元件的數(shù)值，以確保功分器的性能不受影響。對(duì)于一個(gè)工作在特定頻率的Wilkinson功分器，根據(jù)傳輸線的特性阻抗和長度要求，可以通過公式計(jì)算出對(duì)應(yīng)的集總參數(shù)電感和電容的值。在實(shí)際應(yīng)用中，采用集總參數(shù)元件的小型化Wilkinson功分器在一些對(duì)尺寸要求嚴(yán)格的集成電路中具有明顯優(yōu)勢(shì)，如在手機(jī)等便攜式通信設(shè)備的射頻前端電路中，可以有效減小電路的占用面積，提高系統(tǒng)的集成度。但該方法也存在一定的局限性，集總參數(shù)元件的等效電路模型帶寬有限，在多級(jí)功分器設(shè)計(jì)中應(yīng)用困難，限制了小型化功分器的帶寬拓展。慢波結(jié)構(gòu)也是實(shí)現(xiàn)小型化的有效途徑。實(shí)現(xiàn)平面慢波結(jié)構(gòu)傳輸線的方式主要是在微帶、共面波導(dǎo)、基片集成波導(dǎo)形式的傳輸線上加載蛇形線、交指電容、螺旋電感、缺陷地結(jié)構(gòu)、電磁帶隙結(jié)構(gòu)等，以增加傳輸線上的等效集總電容和電感，從而實(shí)現(xiàn)小型化。在微帶傳輸線上加載交指電容，可以增加傳輸線的等效電容，使得信號(hào)在傳輸線上的傳播速度減慢，從而在相同的物理長度下，傳輸線能夠?qū)崿F(xiàn)更長的電長度，達(dá)到減小尺寸的目的。2001年，Jong-SikLim等人利用傳統(tǒng)的Wilkinson功分器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和缺陷地（DGS）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過增加微帶線的特性阻抗，突破了加工工藝中對(duì)高阻抗微帶線的限制，實(shí)現(xiàn)了一定程度的小型化。慢波結(jié)構(gòu)的引入會(huì)增加傳輸線的損耗，對(duì)功分器的插入損耗性能產(chǎn)生一定影響。在設(shè)計(jì)過程中，需要通過優(yōu)化慢波結(jié)構(gòu)的參數(shù)，如加載元件的尺寸、間距等，來平衡小型化效果和插入損耗之間的關(guān)系。可以通過仿真軟件對(duì)不同參數(shù)的慢波結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析，找到最佳的參數(shù)組合，以在實(shí)現(xiàn)小型化的同時(shí)，盡量減小插入損耗的增加。使用改進(jìn)后的阻抗變換器是另一種實(shí)現(xiàn)小型化的策略。通過將傳統(tǒng)功分器中的阻抗變換器用改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)代替，可以實(shí)現(xiàn)功分器的小型化或減少集總RLC元件帶來的分布式參數(shù)效應(yīng)。2021年，NethiniWeerathunge等人利用階梯阻抗線和短截線設(shè)計(jì)了一款用于MMIC的小型化功分器，并且用一個(gè)電容網(wǎng)絡(luò)來提高輸出端口之間的隔離度。相較于傳統(tǒng)的Wilkinson功分器，該結(jié)構(gòu)的尺寸減小了約57%。這種改進(jìn)后的阻抗變換器通過改變傳輸線的阻抗分布和結(jié)構(gòu)形式，實(shí)現(xiàn)了尺寸的減小。在設(shè)計(jì)改進(jìn)后的阻抗變換器時(shí)，需要考慮其對(duì)功分器整體性能的影響，如對(duì)回波損耗和隔離度的影響。通過優(yōu)化阻抗變換器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如階梯阻抗的比例、短截線的長度等，可以確保在實(shí)現(xiàn)小型化的同時(shí)，保持良好的回波損耗和隔離度性能。利用先進(jìn)工藝也是實(shí)現(xiàn)小型化的重要手段。將功分器的阻抗變換器進(jìn)行蜿蜒或者分成多層結(jié)構(gòu)，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(xué)者設(shè)計(jì)了一款工作在VHF頻段的大功率小型化Wilkinson功分器，他們提出的由兩個(gè)地平面和三個(gè)信號(hào)層組成的緊湊多層結(jié)構(gòu)，通過將功分器四分之一波長阻抗變換器設(shè)計(jì)成蜿蜒的傳輸線，有效減小了電路尺寸，且該結(jié)構(gòu)因無無功集總元件，可用于高功率場(chǎng)景。采用先進(jìn)工藝實(shí)現(xiàn)小型化時(shí)，需要考慮工藝的復(fù)雜性和成本。多層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造需要更高的工藝精度和成本，在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的需求和成本限制，選擇合適的工藝實(shí)現(xiàn)方式。可以通過優(yōu)化多層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，減少層數(shù)和復(fù)雜程度，在保證小型化效果的前提下，降低工藝成本。3.3基于特定工藝的設(shè)計(jì)要點(diǎn)不同的工藝對(duì)小型化Wilkinson功分器的設(shè)計(jì)有著顯著的影響，每種工藝都有其獨(dú)特的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也伴隨著相應(yīng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和挑戰(zhàn)。以CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）和LTCC（低溫共燒陶瓷）工藝為例，深入探討它們?cè)谛⌒突疻ilkinson功分器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。CMOS工藝在現(xiàn)代集成電路制造中應(yīng)用廣泛，具有高度集成化、成本低、易于大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。在2005年，Liang-HungLu等人在0.18umCMOS工藝下，利用傳輸線T型等效將傳統(tǒng)Wilkinson功分器的四分之一波長阻抗變換器轉(zhuǎn)換為集總參數(shù)電路，并采用有源電感器作為集總參數(shù)電感，成功減小了電路面積。該結(jié)構(gòu)在中心工作頻率4.5GHz處展現(xiàn)出優(yōu)異性能，回波損耗優(yōu)于30dB，插損優(yōu)于0.16dB。這一成果充分展示了CMOS工藝在實(shí)現(xiàn)小型化Wilkinson功分器方面的潛力。在基于CMOS工藝設(shè)計(jì)小型化Wilkinson功分器時(shí)，需要考慮一些關(guān)鍵要點(diǎn)。CMOS工藝中的集總參數(shù)元件，如電感和電容，其寄生效應(yīng)較為明顯。寄生電阻會(huì)增加信號(hào)傳輸過程中的損耗，導(dǎo)致插入損耗增大；寄生電容和電感會(huì)影響元件的等效參數(shù)，進(jìn)而影響功分器的性能。在設(shè)計(jì)電感時(shí)，需要優(yōu)化其結(jié)構(gòu)和尺寸，以減小寄生電阻和寄生電容的影響。采用多晶硅電感可以在一定程度上降低寄生電阻，通過優(yōu)化電感的螺旋形狀和匝數(shù)，可以減小寄生電容。對(duì)于電容，選擇合適的電容類型和布局方式，如采用金屬-絕緣體-金屬（MIM）電容，其具有較低的寄生效應(yīng)和較高的電容密度，能夠提高電容的性能和穩(wěn)定性。CMOS工藝中的有源器件，如晶體管，也會(huì)對(duì)功分器的性能產(chǎn)生影響。晶體管的噪聲和非線性特性會(huì)引入額外的噪聲和失真，影響信號(hào)的質(zhì)量。在設(shè)計(jì)中，需要合理選擇晶體管的類型和參數(shù)，采用低噪聲晶體管，并通過優(yōu)化電路設(shè)計(jì)來減小非線性失真。可以采用負(fù)反饋技術(shù)來改善晶體管的線性度，通過調(diào)整反饋電阻和電容的值，使晶體管工作在更線性的區(qū)域，從而減小非線性失真。還需要考慮晶體管的功耗和散熱問題，選擇合適的偏置電路和散熱措施，以確保晶體管在工作過程中的穩(wěn)定性和可靠性。LTCC工藝是一種將多層陶瓷生片經(jīng)過精確對(duì)準(zhǔn)、疊壓后，在低溫下共燒形成一體化基板的先進(jìn)技術(shù)。它具有高介電常數(shù)、低損耗、良好的溫度特性和高頻特性等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)電子元件的高密度集成。2021年，M.L.Laurenzid等人采用LTCC工藝設(shè)計(jì)了用于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的小型化雙頻功分器，充分利用了LTCC極高介電常數(shù)低損耗的材料特性，實(shí)現(xiàn)了功分器的小型化。在基于LTCC工藝設(shè)計(jì)小型化Wilkinson功分器時(shí)，也有一些重要的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。LTCC工藝中的多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。通過合理設(shè)計(jì)多層結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)傳輸線的緊湊布局和阻抗匹配，從而減小功分器的尺寸。可以將功分器的阻抗變換器設(shè)計(jì)成蜿蜒的傳輸線，在有限的空間內(nèi)增加傳輸線的長度，實(shí)現(xiàn)小型化。還可以利用多層結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)不同功能模塊的集成，將功分器與其他微波器件，如濾波器、放大器等集成在同一基板上，提高系統(tǒng)的集成度和性能。在設(shè)計(jì)多層結(jié)構(gòu)時(shí)，需要考慮層間的對(duì)準(zhǔn)精度和信號(hào)傳輸?shù)耐暾裕捎酶呔鹊膶?duì)準(zhǔn)工藝和合理的布線設(shè)計(jì)，以確保信號(hào)在層間的高效傳輸。LTCC工藝中的材料特性也需要充分考慮。LTCC材料的介電常數(shù)和損耗角正切等參數(shù)會(huì)影響功分器的性能。在選擇LTCC材料時(shí)，需要根據(jù)工作頻率和性能要求，選擇介電常數(shù)合適、損耗低的材料。對(duì)于高頻應(yīng)用，選擇介電常數(shù)較低、損耗角正切較小的材料，以減小信號(hào)的傳輸損耗和色散。還需要考慮材料的熱膨脹系數(shù)，確保與其他元件的熱匹配性，避免在溫度變化時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力，影響功分器的性能和可靠性。在制作過程中，要嚴(yán)格控制材料的燒結(jié)工藝，確保材料的性能穩(wěn)定和一致性。四、小型化技術(shù)研究4.1慢波結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)小型化4.1.1慢波結(jié)構(gòu)原理慢波結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)Wilkinson功分器小型化的重要技術(shù)手段之一，其原理基于傳輸線理論中對(duì)信號(hào)傳輸特性的改變。在傳統(tǒng)的傳輸線中，信號(hào)以一定的相速度v_p沿傳輸線傳播，相速度與光速c、傳輸線介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)\varepsilon_r之間存在關(guān)系v_p=\frac{c}{\sqrt{\varepsilon_r}}。當(dāng)信號(hào)頻率f確定時(shí)，其波長\lambda與相速度成正比，即\lambda=\frac{v_p}{f}。為了實(shí)現(xiàn)小型化，慢波結(jié)構(gòu)通過在傳輸線上加載特定的結(jié)構(gòu)，增加傳輸線的等效電感L_{eq}和電容C_{eq}。以在微帶傳輸線上加載交指電容為例，交指電容的引入增加了傳輸線單位長度的等效電容。根據(jù)傳輸線理論，傳輸線的相速度v_p與等效電感和電容之間的關(guān)系為v_p=\frac{1}{\sqrt{L_{eq}C_{eq}}}。當(dāng)?shù)刃щ姼泻碗娙菰黾訒r(shí)，相速度v_p會(huì)降低。在相同的物理長度l下，信號(hào)傳播的電長度\betal（其中\(zhòng)beta為傳播常數(shù)，\beta=\frac{2\pi}{\lambda}）與相速度成反比，相速度降低意味著在相同物理長度下，電長度增加。這就相當(dāng)于在不改變物理長度的情況下，傳輸線能夠?qū)崿F(xiàn)更長的電長度，從而達(dá)到減小尺寸的目的。從信號(hào)傳播的角度來看，加載結(jié)構(gòu)改變了傳輸線的電場(chǎng)和磁場(chǎng)分布。在加載交指電容的微帶傳輸線上，交指電容的存在使得電場(chǎng)在電容區(qū)域內(nèi)發(fā)生集中和畸變，改變了原本均勻的電場(chǎng)分布。這種電場(chǎng)分布的改變導(dǎo)致信號(hào)在傳輸過程中與電場(chǎng)的相互作用增強(qiáng)，信號(hào)的傳播速度減慢，實(shí)現(xiàn)了慢波效應(yīng)。同樣，對(duì)于加載螺旋電感的傳輸線，螺旋電感的結(jié)構(gòu)使得磁場(chǎng)在電感區(qū)域內(nèi)集中，改變了磁場(chǎng)分布，進(jìn)而影響了信號(hào)的傳播速度。在實(shí)際應(yīng)用中，通過合理設(shè)計(jì)加載結(jié)構(gòu)的參數(shù)，如交指電容的指長、指寬、指間距，螺旋電感的匝數(shù)、半徑等，可以精確控制傳輸線的等效電感和電容，從而實(shí)現(xiàn)所需的慢波效應(yīng)和小型化程度。在設(shè)計(jì)一個(gè)工作在2.4GHz的小型化Wilkinson功分器時(shí)，根據(jù)所需的小型化程度和性能要求，計(jì)算出需要增加的等效電感和電容值，然后通過優(yōu)化交指電容的參數(shù)，使得傳輸線的相速度降低到合適的值，在滿足功分器性能指標(biāo)的前提下，實(shí)現(xiàn)尺寸的有效減小。4.1.2常見慢波結(jié)構(gòu)形式常見的慢波結(jié)構(gòu)形式豐富多樣，每種形式都有其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和在小型化功分器中的應(yīng)用方式。蛇形線是一種常見的慢波結(jié)構(gòu)，它通過將傳輸線設(shè)計(jì)成蜿蜒曲折的形狀，增加了信號(hào)在傳輸線上的傳播路徑。在相同的物理面積內(nèi)，蛇形線傳輸線的長度比直線傳輸線更長，從而增加了傳輸線的電長度。這種結(jié)構(gòu)在小型化功分器中應(yīng)用時(shí)，能夠在有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更長的傳輸線長度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)小型化。在一些對(duì)尺寸要求嚴(yán)格的便攜式通信設(shè)備的射頻前端電路中，采用蛇形線結(jié)構(gòu)的Wilkinson功分器可以有效減小電路的占用面積。蛇形線的蜿蜒程度和彎曲半徑等參數(shù)會(huì)影響其慢波效果和傳輸性能。如果蜿蜒程度過大，可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的損耗增加；彎曲半徑過小，則可能會(huì)引起信號(hào)的反射和散射。在設(shè)計(jì)蛇形線結(jié)構(gòu)時(shí)，需要通過仿真和優(yōu)化來確定最佳的參數(shù)，以平衡小型化效果和傳輸性能。交指電容是另一種常用的慢波結(jié)構(gòu)，它由多個(gè)相互交錯(cuò)的金屬指組成，這些金屬指之間形成電容。在微帶傳輸線上加載交指電容時(shí)，交指電容增加了傳輸線的等效電容，從而降低了信號(hào)的相速度，實(shí)現(xiàn)慢波效應(yīng)。在2001年，Jong-SikLim等人利用傳統(tǒng)的Wilkinson功分器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和缺陷地（DGS）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，就涉及到了類似的加載結(jié)構(gòu)，通過增加微帶線的等效電容等方式實(shí)現(xiàn)了小型化。交指電容的指長、指寬和指間距等參數(shù)對(duì)其電容值和慢波效果有顯著影響。較長的指長和較小的指間距會(huì)增加電容值，增強(qiáng)慢波效果，但同時(shí)也可能會(huì)增加信號(hào)的損耗；較寬的指寬可以減小電阻損耗，但可能會(huì)對(duì)電容值產(chǎn)生一定影響。在設(shè)計(jì)交指電容時(shí)，需要綜合考慮這些因素，通過優(yōu)化參數(shù)來實(shí)現(xiàn)最佳的小型化效果和性能。缺陷地結(jié)構(gòu)（DGS）是一種通過在接地板上刻蝕特定形狀的缺陷圖形來實(shí)現(xiàn)慢波效應(yīng)的結(jié)構(gòu)。這些缺陷圖形會(huì)打亂接地板上的分布電流，從而改變傳輸線的傳輸參數(shù)，實(shí)現(xiàn)慢波效應(yīng)。根據(jù)缺陷圖形的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，DGS可以分為微帶缺陷地結(jié)構(gòu)、槽線缺陷地結(jié)構(gòu)、共面波導(dǎo)缺陷地結(jié)構(gòu)等。在微帶線的接地板上刻蝕周期性的圓形或矩形缺陷，會(huì)改變微帶線的電場(chǎng)和磁場(chǎng)分布，導(dǎo)致信號(hào)的傳播速度減慢。DGS結(jié)構(gòu)在小型化功分器中的應(yīng)用可以有效減小功分器的尺寸，同時(shí)還能對(duì)功分器的性能產(chǎn)生一些特殊的影響，如改善阻抗匹配、提高隔離度等。DGS結(jié)構(gòu)的缺陷圖形形狀、尺寸和周期等參數(shù)會(huì)影響其對(duì)傳輸線參數(shù)的改變程度和慢波效果。不同形狀的缺陷圖形會(huì)產(chǎn)生不同的電場(chǎng)和磁場(chǎng)分布變化，從而對(duì)信號(hào)的傳輸產(chǎn)生不同的影響。在設(shè)計(jì)DGS結(jié)構(gòu)時(shí)，需要根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求和性能指標(biāo)，通過仿真和優(yōu)化來確定合適的缺陷圖形參數(shù)。4.1.3案例分析以采用DGS結(jié)構(gòu)的小型化Wilkinson功分器為例，深入分析其設(shè)計(jì)過程、性能及小型化效果。假設(shè)設(shè)計(jì)一個(gè)工作在5GHz的小型化Wilkinson功分器，采用FR4介質(zhì)基板，其相對(duì)介電常數(shù)\varepsilon_r=4.4，損耗角正切\(zhòng)tan\delta=0.02。在設(shè)計(jì)過程中，首先根據(jù)Wilkinson功分器的基本原理，確定其初始結(jié)構(gòu)和參數(shù)。輸入/輸出端口的特性阻抗Z_0設(shè)為50Ω，對(duì)于等功分的Wilkinson功分器，兩段從輸入端口到輸出端口的傳輸線特性阻抗Z_1=\sqrt{2}Z_0\approx70.7Ω，長度為\frac{\lambda}{4}，其中\(zhòng)lambda=\frac{\lambda_0}{\sqrt{\varepsilon_r}}，\lambda_0=\frac{c}{f}（c為光速，f為工作頻率），計(jì)算可得\lambda_0=60mm，\lambda\approx28.5mm，傳輸線長度約為7.1mm。隔離電阻R=2Z_0=100Ω。為了實(shí)現(xiàn)小型化，在傳輸線上引入DGS結(jié)構(gòu)。在接地板上刻蝕周期性的矩形缺陷，缺陷的長度l_d=2mm，寬度w_d=1mm，周期p=4mm。通過電磁仿真軟件HFSS對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模和仿真分析。在仿真過程中，設(shè)置合適的邊界條件和激勵(lì)源，對(duì)功分器的S參數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算。從性能方面來看，仿真結(jié)果顯示，該小型化Wilkinson功分器在5GHz工作頻率下，輸入端口的回波損耗S_{11}小于-20dB，表明輸入端口與傳輸線匹配良好，信號(hào)反射小；兩個(gè)輸出端口的插入損耗S_{21}和S_{31}均小于-3.5dB，接近理論值-3dB，說明信號(hào)在分配過程中的功率損失較小；輸出端口間的隔離度S_{23}大于25dB，有效減少了兩個(gè)輸出端口之間的信號(hào)串?dāng)_。在小型化效果方面，與傳統(tǒng)的Wilkinson功分器相比，采用DGS結(jié)構(gòu)的功分器尺寸明顯減小。通過合理設(shè)計(jì)DGS結(jié)構(gòu)的參數(shù)，在實(shí)現(xiàn)慢波效應(yīng)的同時(shí)，保持了功分器的良好性能，滿足了現(xiàn)代電子系統(tǒng)對(duì)小型化和高性能的要求。在實(shí)際應(yīng)用中，該小型化Wilkinson功分器可應(yīng)用于小型基站的射頻前端電路，在有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的等功率分配，提高了系統(tǒng)的集成度和性能。4.2集總參數(shù)元件應(yīng)用4.2.1集總參數(shù)與分布參數(shù)對(duì)比在微波電路領(lǐng)域，集總參數(shù)元件和分布參數(shù)傳輸線是兩種重要的組成部分，它們?cè)谔匦浴⑦m用場(chǎng)景等方面存在顯著差異。集總參數(shù)元件是指其電磁特性集中在元件內(nèi)部，且尺寸遠(yuǎn)小于工作波長的元件，如電阻（R）、電感（L）和電容（C）。這些元件的特性主要由自身的物理結(jié)構(gòu)和材料決定，與元件在電路中的位置和連接方式無關(guān)。在低頻電路中，集總參數(shù)元件的特性相對(duì)穩(wěn)定，能夠準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)信號(hào)的處理和控制。一個(gè)電阻元件在低頻下能夠穩(wěn)定地消耗電能，其電阻值基本不隨頻率變化而改變；電感元件能夠儲(chǔ)存磁場(chǎng)能量，在低頻電路中對(duì)電流的變化起到阻礙作用；電容元件則儲(chǔ)存電場(chǎng)能量，對(duì)電壓的變化起到緩沖作用。集總參數(shù)元件的尺寸通常較小，在電路板上占用的空間有限，這使得它們?cè)谛⌒突娐吩O(shè)計(jì)中具有很大的優(yōu)勢(shì)。在手機(jī)等便攜式通信設(shè)備的射頻前端電路中，大量使用集總參數(shù)元件來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的濾波、匹配等功能，有效減小了電路的體積。分布參數(shù)傳輸線則是指其參數(shù)沿線分布，且傳輸線的長度與工作波長可比擬的傳輸線，如微帶線、帶狀線、共面波導(dǎo)等。在微波頻段，信號(hào)在傳輸線上的傳播特性變得復(fù)雜，需要考慮傳輸線的特性阻抗、傳播常數(shù)、相位延遲等參數(shù)。傳輸線的特性阻抗與傳輸線的結(jié)構(gòu)、材料以及周圍介質(zhì)有關(guān)，不同的傳輸線具有不同的特性阻抗。微帶線的特性阻抗與微帶線的寬度、介質(zhì)基板的厚度和介電常數(shù)等因素相關(guān)。傳播常數(shù)描述了信號(hào)在傳輸線上傳播時(shí)的衰減和相位變化情況，相位延遲則表示信號(hào)在傳輸線上傳播一定距離后產(chǎn)生的相位偏移。這些參數(shù)使得分布參數(shù)傳輸線在微波電路中能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)的高效傳輸和匹配。在微波通信系統(tǒng)中，微帶線常用于連接各個(gè)微波器件，確保信號(hào)在傳輸過程中的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。然而，分布參數(shù)傳輸線也存在一些局限性。在低頻段，由于其尺寸與波長的關(guān)系，分布參數(shù)傳輸線的物理尺寸較大，這在一些對(duì)尺寸要求嚴(yán)格的應(yīng)用場(chǎng)景中是一個(gè)明顯的劣勢(shì)。在便攜式電子設(shè)備中，過大的傳輸線尺寸會(huì)占用過多的空間，不利于設(shè)備的小型化設(shè)計(jì)。在高頻段，尤其是毫米波頻段，微帶傳輸線的不連續(xù)性影響變得突出。T型結(jié)、拐角以及與其他元件的連接點(diǎn)等不連續(xù)結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的反射和散射，從而增加插入損耗，降低信號(hào)的傳輸效率；影響隔離度，使得輸出端口之間的信號(hào)串?dāng)_增強(qiáng)；回波損耗變差，信號(hào)在端口處的反射增多，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。相比之下，集總參數(shù)元件在實(shí)現(xiàn)小型化方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。由于其尺寸小，能夠在有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的電路功能，滿足現(xiàn)代電子系統(tǒng)對(duì)小型化和高集成度的需求。在一些小型化的微波電路模塊中，采用集總參數(shù)元件可以將多個(gè)功能模塊集成在一個(gè)很小的芯片上，提高了系統(tǒng)的集成度和性能。集總參數(shù)元件的設(shè)計(jì)和調(diào)整相對(duì)靈活，可以通過改變?cè)臄?shù)值和連接方式來實(shí)現(xiàn)不同的電路功能。在設(shè)計(jì)一個(gè)小型化的Wilkinson功分器時(shí)，可以通過調(diào)整集總參數(shù)電感和電容的數(shù)值，來實(shí)現(xiàn)功分器的小型化和性能優(yōu)化。但集總參數(shù)元件也存在一些缺點(diǎn)，其等效電路模型帶寬有限，在高頻段的性能會(huì)受到一定影響，且在處理大功率信號(hào)時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)功率容量不足的問題。4.2.2集總參數(shù)元件的選擇與應(yīng)用在小型化功分器的設(shè)計(jì)中，電感和電容等集總參數(shù)元件的選擇與應(yīng)用至關(guān)重要，它們的特性和參數(shù)直接影響著功分器的性能和小型化程度。電感的選擇需要考慮多個(gè)因素。電感的電感值是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，它決定了電感對(duì)電流變化的阻礙作用。在小型化Wilkinson功分器中，根據(jù)功分器的工作頻率和所需的阻抗匹配要求，需要精確選擇合適電感值的電感。對(duì)于工作在較高頻率的功分器，通常需要選擇較小電感值的電感，以滿足高頻下的阻抗匹配和信號(hào)傳輸要求。電感的品質(zhì)因數(shù)（Q值）也非常重要，它反映了電感在儲(chǔ)存和釋放能量過程中的損耗情況。高Q值的電感在工作過程中的能量損耗較小，能夠提高功分器的效率和性能。在選擇電感時(shí)，應(yīng)盡量選擇Q值較高的電感。電感的寄生電容和寄生電阻也會(huì)對(duì)功分器的性能產(chǎn)生影響。寄生電容會(huì)導(dǎo)致電感在高頻下的等效電感值發(fā)生變化，影響功分器的性能；寄生電阻則會(huì)增加信號(hào)傳輸過程中的能量損耗。在設(shè)計(jì)中，需要通過優(yōu)化電感的結(jié)構(gòu)和材料，減小寄生電容和寄生電阻的影響。電容的選擇同樣需要綜合考慮多個(gè)因素。電容的電容值是根據(jù)功分器的電路設(shè)計(jì)和性能要求來確定的。在小型化功分器中，電容通常用于實(shí)現(xiàn)阻抗匹配、濾波和信號(hào)耦合等功能。對(duì)于實(shí)現(xiàn)阻抗匹配的電容，需要根據(jù)功分器的輸入輸出阻抗要求，精確計(jì)算和選擇合適電容值的電容。電容的損耗角正切（tanδ）是衡量電容損耗大小的重要指標(biāo)，損耗角正切越小，電容在工作過程中的能量損耗越小，對(duì)功分器性能的影響也越小。在選擇電容時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇損耗角正切較小的電容。電容的耐壓值也是一個(gè)需要考慮的因素，在功分器工作過程中，電容可能會(huì)承受一定的電壓，因此需要選擇耐壓值大于工作電壓的電容，以確保電容的安全可靠工作。在小型化功分器中，集總參數(shù)元件的應(yīng)用方式多種多樣。可以利用傳輸線T型等效將傳統(tǒng)Wilkinson功分器的四分之一波長阻抗變換器轉(zhuǎn)換為集總參數(shù)電路。2005年，Liang-HungLu等人在0.18um互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝下，采用這種方法將傳統(tǒng)Wilkinson功分器的四分之一波長阻抗變換器轉(zhuǎn)換為集總參數(shù)電路，并利用有源電感器作為集總參數(shù)電感，成功減小了電路面積。在這種應(yīng)用中，通過精確計(jì)算和選擇集總參數(shù)電感和電容的數(shù)值，來等效模擬四分之一波長傳輸線的特性阻抗和相移特性，從而實(shí)現(xiàn)功分器的小型化。還可以在電路中加入集總參數(shù)元件來調(diào)整功分器的性能。在功分器的輸入輸出端口加入適當(dāng)?shù)碾娙荩梢愿纳贫丝诘淖杩蛊ヅ洌瑴p小回波損耗；在輸出端口之間加入電容網(wǎng)絡(luò)，可以提高輸出端口間的隔離度。通過合理應(yīng)用集總參數(shù)元件，可以在實(shí)現(xiàn)小型化的同時(shí)，保持功分器的良好性能。4.2.3實(shí)際案例分析以2005年Liang-HungLu等人在0.18um互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝下設(shè)計(jì)的小型化功分器為例，深入分析采用集總參數(shù)元件設(shè)計(jì)的小型化功分器的性能和小型化程度。在該設(shè)計(jì)中，首先利用傳輸線T型等效將傳統(tǒng)Wilkinson功分器的四分之一波長阻抗變換器轉(zhuǎn)換為集總參數(shù)電路。這種轉(zhuǎn)換的原理是基于集總參數(shù)元件的等效電路模型，通過合理選擇集總參數(shù)電感和電容的數(shù)值，使其能夠模擬四分之一波長傳輸線的特性阻抗和相移特性。在傳統(tǒng)的Wilkinson功分器中，四分之一波長傳輸線在信號(hào)傳輸和功率分配中起著關(guān)鍵作用，而將其轉(zhuǎn)換為集總參數(shù)電路后，能夠在更小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)相同的功能，從而達(dá)到小型化的目的。利用有源電感器作為電路中的集總參數(shù)電感。有源電感器相比傳統(tǒng)的無源電感器，具有更高的電感值和更好的性能，能夠在有限的空間內(nèi)提供所需的電感量，進(jìn)一步減小了電路的面積。從性能方面來看，該結(jié)構(gòu)在中心工作頻率4.5GHz處展現(xiàn)出優(yōu)異的性能。回波損耗優(yōu)于30dB，這表明輸入端口與傳輸線之間的匹配非常良好，信號(hào)的反射極小。回波損耗是衡量功分器輸入端口信號(hào)反射程度的重要指標(biāo)，回波損耗越大，說明信號(hào)反射越小，功分器與傳輸線的匹配越好。在這個(gè)案例中，回波損耗優(yōu)于30dB，說明該小型化功分器在輸入端口能夠有效地減少信號(hào)反射，保證信號(hào)的高效傳輸。插損優(yōu)于0.16dB，接近理想的無損傳輸狀態(tài)。插入損耗是指信號(hào)從輸入端口傳輸?shù)捷敵龆丝谶^程中所產(chǎn)生的功率損失，插損越小，說明信號(hào)在傳輸過程中的功率損失越小，功分器的傳輸效率越高。該小型化功分器的插損優(yōu)于0.16dB，表明其在信號(hào)傳輸過程中的功率損失極小，能夠高效地實(shí)現(xiàn)功率分配。在小型化程度方面，由于電路中沒有分布參數(shù)傳輸線和螺旋電感，電路的面積大大減小。傳統(tǒng)的Wilkinson功分器基于分布參數(shù)傳輸線，其尺寸與工作波長相關(guān)，在低頻段尺寸較大。而該設(shè)計(jì)采用集總參數(shù)元件，有效地?cái)[脫了傳輸線尺寸的限制，使得電路布局更加緊湊，占用空間更小。這種小型化設(shè)計(jì)使得功分器能夠更好地滿足現(xiàn)代集成電路對(duì)小型化和高集成度的要求，在一些對(duì)尺寸要求嚴(yán)格的應(yīng)用場(chǎng)景，如手機(jī)、平板電腦等便攜式通信設(shè)備的射頻前端電路中，具有很大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。通過這個(gè)實(shí)際案例可以看出，采用集總參數(shù)元件設(shè)計(jì)的小型化功分器在性能和小型化程度上都具有明顯的優(yōu)勢(shì)，為小型化Wilkinson功分器的設(shè)計(jì)提供了一種有效的方法和思路。4.3改進(jìn)的阻抗變換器4.3.1傳統(tǒng)阻抗變換器的不足傳統(tǒng)的Wilkinson功分器中，常用的阻抗變換器是四分之一波長傳輸線。這種阻抗變換器基于傳輸線理論，其工作原理是利用傳輸線的特性阻抗和長度來實(shí)現(xiàn)阻抗變換。對(duì)于一個(gè)端接實(shí)數(shù)負(fù)載的射頻電路，通過接入一段長度為四分之一波長、特性阻抗為Z_1的傳輸線，可以將負(fù)載阻抗R_L變換到與饋線阻抗Z_0相同的輸入阻抗Z_{in}，以滿足阻抗匹配的要求，其中Z_1=\sqrt{Z_0R_L}。在一個(gè)以50Ω為標(biāo)準(zhǔn)阻抗的微波系統(tǒng)中，當(dāng)負(fù)載阻抗為100Ω時(shí)，通過計(jì)算可知，需要特性阻抗為\sqrt{50\times100}\approx70.7Ω、長度為四分之一波長的傳輸線作為阻抗變換器，來實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。然而，這種傳統(tǒng)的四分之一波長阻抗變換器在小型化和減少分布式參數(shù)效應(yīng)方面存在明顯不足。在小型化方面，四分之一波長傳輸線的長度與信號(hào)波長相關(guān)，在低頻段，由于波長較長，導(dǎo)致傳輸線的物理尺寸較大。在VHF頻段（30-300MHz），信號(hào)波長范圍在1-10米，相應(yīng)的四分之一波長傳輸線長度在0.25-2.5米，如此大的尺寸在一些對(duì)空間要求嚴(yán)格的應(yīng)用場(chǎng)景中，如便攜式通信設(shè)備、小型化衛(wèi)星通信終端等，嚴(yán)重限制了系統(tǒng)的小型化設(shè)計(jì)。即使在較高頻率下，隨著現(xiàn)代電子系統(tǒng)對(duì)集成度要求的不斷提高，傳統(tǒng)四分之一波長阻抗變換器的尺寸仍然顯得過大，不利于在有限的芯片面積上實(shí)現(xiàn)更多功能模塊的集成。在減少分布式參數(shù)效應(yīng)方面，傳統(tǒng)四分之一波長阻抗變換器也存在問題。隨著頻率的升高，尤其是在毫米波頻段，傳輸線的分布式參數(shù)效應(yīng)變得不可忽視。傳輸線的電阻、電感、電容等參數(shù)不再是集中在某一點(diǎn)，而是沿線分布，這會(huì)導(dǎo)致信號(hào)在傳輸過程中出現(xiàn)反射、散射、延遲等現(xiàn)象，從而影響功分器的性能。傳輸線的不連續(xù)性，如T型結(jié)、拐角等，會(huì)產(chǎn)生額外的反射和散射，增加插入損耗，降低信號(hào)的傳輸效率；影響隔離度，使得輸出端口之間的信號(hào)串?dāng)_增強(qiáng)；回波損耗變差，信號(hào)在端口處的反射增多，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。傳統(tǒng)四分之一波長阻抗變換器在面對(duì)現(xiàn)代電子系統(tǒng)對(duì)小型化和高性能的需求時(shí)，其局限性愈發(fā)凸顯，需要探索新型的阻抗變換器結(jié)構(gòu)來克服這些問題。4.3.2新型阻抗變換器結(jié)構(gòu)新型阻抗變換器結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)為解決傳統(tǒng)阻抗變換器的不足提供了有效的途徑，其中階梯阻抗線和短截線是兩種典型的結(jié)構(gòu)，它們?cè)趯?shí)現(xiàn)小型化方面具有獨(dú)特的原理和優(yōu)勢(shì)。階梯阻抗線是一種由不同特性阻抗的傳輸線段級(jí)聯(lián)而成的結(jié)構(gòu)。其實(shí)現(xiàn)小型化的原理在于，通過改變傳輸線的阻抗分布，使得在相同的電長度下，物理長度可以減小。階梯阻抗線由兩段不同特性阻抗Z_{11}和Z_{12}的傳輸線級(jí)聯(lián)組成，相比于傳統(tǒng)的單一特性阻抗的四分之一波長傳輸線，在實(shí)現(xiàn)相同阻抗變換功能的情況下，通過合理設(shè)計(jì)Z_{11}和Z_{12}的比值以及傳輸線的長度，可以使總物理長度縮短。當(dāng)需要將50Ω的阻抗變換到100Ω時(shí)，傳統(tǒng)四分之一波長傳輸線的特性阻抗為70.7Ω，而采用階梯阻抗線時(shí)，可以設(shè)計(jì)第一段傳輸線特性阻抗為60Ω，第二段為80Ω，通過精確計(jì)算兩段傳輸線的長度，在滿足阻抗變換要求的同時(shí)，減小了整體的物理尺寸。在實(shí)際應(yīng)用中，階梯阻抗線的設(shè)計(jì)需要考慮多個(gè)因素。不同特性阻抗的傳輸線段之間的連接點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生不連續(xù)性，這可能導(dǎo)致信號(hào)的反射和散射，影響功分器的性能。在設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)連接點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，如采用漸變過渡的方式，減小不連續(xù)性的影響；還需要根據(jù)功分器的工作頻率和帶寬要求，精確計(jì)算各段傳輸線的特性阻抗和長度，以確保在實(shí)現(xiàn)小型化的同時(shí)，保持良好的阻抗匹配和信號(hào)傳輸性能。短截線也是一種常用的新型阻抗變換器結(jié)構(gòu)，它通常由一段與主傳輸線并聯(lián)或串聯(lián)的短傳輸線構(gòu)成。短截線實(shí)現(xiàn)小型化的原理是利用其對(duì)主傳輸線阻抗的調(diào)節(jié)作用，通過調(diào)整短截線的長度和位置，可以改變主傳輸線的等效阻抗，從而實(shí)現(xiàn)阻抗匹配和小型化。在主傳輸線的特定位置并聯(lián)一段長度為l的短截線，當(dāng)短截線的長度和特性阻抗?jié)M足一定條件時(shí)，它可以與主傳輸線形成一個(gè)等效的阻抗變換網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)所需的阻抗變換。在設(shè)計(jì)一個(gè)工作在5GHz的小型化Wilkinson功分器時(shí)，通過在主傳輸線上合適的位置并聯(lián)一段長度為3mm、特性阻抗為50Ω的短截線，有效地調(diào)整了主傳輸線的等效阻抗，實(shí)現(xiàn)了功分器的小型化，同時(shí)保持了較好的性能。在實(shí)際應(yīng)用中，短截線的設(shè)計(jì)也需要注意一些問題。短截線的長度和位置對(duì)功分器的性能影響較大，需要通過精確的計(jì)算和仿真來確定最佳的長度和位置；短截線與主傳輸線的連接方式也會(huì)影響信號(hào)的傳輸，需要確保連接的可靠性和低損耗。4.3.3案例分析以2021年NethiniWeerathunge等人利用階梯阻抗線和短截線設(shè)計(jì)的用于MMIC的小型化功分器為例，深入分析采用新型阻抗變換器的小型化功分器的性能提升和小型化效果。在該設(shè)計(jì)中，利用階梯阻抗線和短截線代替?zhèn)鹘y(tǒng)Wilkinson功分器中的四分之一波長阻抗變換器。階梯阻抗線通過合理設(shè)計(jì)不同特性阻抗的傳輸線段，實(shí)現(xiàn)了在較小的物理尺寸下完成阻抗變換功能；短截線則通過在合適的位置與主傳輸線連接，進(jìn)一步調(diào)整了阻抗，優(yōu)化了功分器的性能。從性能提升方面來看，經(jīng)過測(cè)量，在5GHz-43GHz的頻帶范圍，該結(jié)構(gòu)的回波損耗優(yōu)于10dB，這表明在較寬的頻率范圍內(nèi)，輸入端口與傳輸線之間的匹配良好，信號(hào)反射較小，保證了信號(hào)的高效傳輸。在20.3GHz-43GHz的頻帶范圍輸出端口間的隔離度優(yōu)于10dB，有效減少了輸出端口之間的信號(hào)串?dāng)_，提高了功分器輸出信號(hào)的獨(dú)立性和純度。這些性能指標(biāo)的提升，使得該小型化功分器能夠更好地滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)對(duì)高性能微波器件的需求。在小型化效果方面，相較于傳統(tǒng)的Wilkinson功分器，該結(jié)構(gòu)的尺寸減小了約57%。這一顯著的小型化效果，使得該功分器能夠更好地應(yīng)用于MMIC中，滿足了現(xiàn)代集成電路對(duì)小型化和高集成度的要求。在實(shí)際應(yīng)用中，這種小型化功分器可以在有限的芯片面積上實(shí)現(xiàn)更多的功能集成，提高了系統(tǒng)的性能和可靠性。通過這個(gè)案例可以看出，采用新型阻抗變換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顯的優(yōu)勢(shì)，為小型化Wilkinson功分器的設(shè)計(jì)提供了一種有效的技術(shù)方案和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。4.4先進(jìn)工藝實(shí)現(xiàn)小型化4.4.1多層結(jié)構(gòu)與蜿蜒傳輸線多層結(jié)構(gòu)和蜿蜒傳輸線是實(shí)現(xiàn)Wilkinson功分器小型化的重要工藝手段，它們通過獨(dú)特的設(shè)計(jì)方式，有效地減少了電路面積，提升了功分器的小型化程度。多層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念是將功分器的不同部分分布在多個(gè)信號(hào)層上，通過合理的布局和通孔連接，實(shí)現(xiàn)緊湊的電路結(jié)構(gòu)。2019年，J.Tayebpour等學(xué)者設(shè)計(jì)了一款工作在VHF頻段的大功率小型化Wilkinson功分器，采用了由兩個(gè)地平面和三個(gè)信號(hào)層組成的緊湊多層結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，兩個(gè)Wilkinson的分支在兩個(gè)不同的層中實(shí)現(xiàn)，并在底層進(jìn)行組合。通過這種方式，充分利用了多層結(jié)構(gòu)的空間優(yōu)勢(shì)，將原本在單層結(jié)構(gòu)中占據(jù)較大面積的傳輸線和其他元件進(jìn)行了合理的分層布局，使得電路布局更加緊湊，從而有效地減少了電路面積。多層結(jié)構(gòu)還能夠改善信號(hào)的傳輸性能。由于不同的信號(hào)層之間可以通過通孔進(jìn)行連接，信號(hào)在傳輸過程中可以更加靈活地在不同層之間切換，減少了信號(hào)在傳輸過程中的損耗和干擾。在多層結(jié)構(gòu)中，可以將不同功能的傳輸線分布在不同的層上，避免了它們之間的相互干擾，提高了信號(hào)的傳輸質(zhì)量。蜿蜒傳輸線則是將功分器的四分之一波長阻抗變換器設(shè)計(jì)成蜿蜒的形狀。這種設(shè)計(jì)方式在不改變傳輸線電長度的前提下，增加了傳輸線在有限空間內(nèi)的物理長度。通過將傳輸線蜿蜒化，使得傳輸線可以在較小的面積內(nèi)實(shí)現(xiàn)較長的電長度，從而達(dá)到減小電路尺寸的目的。在一些對(duì)尺寸要求嚴(yán)格的應(yīng)用場(chǎng)景中，如小型化的衛(wèi)星通信終端，采用蜿蜒傳輸線的Wilkinson功分器可以在有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的等功率分配，滿足了設(shè)備對(duì)小型化的需求。蜿蜒傳輸線的設(shè)計(jì)還可以改善功分器的性能。由于蜿蜒傳輸線的形狀可以改變信號(hào)的傳輸路徑和相位，通過合理設(shè)計(jì)蜿蜒傳輸線的形狀和參數(shù)，可以優(yōu)化功分器的阻抗匹配和信號(hào)傳輸特性，從而提高功分器的回波損耗、隔離度等性能指標(biāo)。在實(shí)際應(yīng)用中，多層結(jié)構(gòu)和蜿蜒傳輸線常常結(jié)合使用。在一些高性能的小型化Wilkinson功分器設(shè)計(jì)中，首先采用多層結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體布局，將不同的功能模塊分布在不同的信號(hào)層上，然后在信號(hào)層內(nèi)，將傳輸線設(shè)計(jì)成蜿蜒形狀，進(jìn)一步減小電路面積。這種結(jié)合使用的方式能夠充分發(fā)揮兩種工藝的優(yōu)勢(shì)，在實(shí)現(xiàn)小型化的同時(shí)，保證功分器的性能滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。4.4.23D打印等新興工藝應(yīng)用3D打印等新興工藝在小型化Wilkinson功分器制造中展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力和獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。3D打印，即增材制造技術(shù)，它能夠依據(jù)三維模型數(shù)據(jù)，通過逐層堆積材料的方式構(gòu)建出實(shí)體物體。這種工藝在制造小型化Wilkinson功分器時(shí)，具有諸多顯著優(yōu)點(diǎn)。3D打印具有高度的設(shè)計(jì)自由度。傳統(tǒng)的制造工藝，如光刻、蝕刻等，在制作復(fù)雜結(jié)構(gòu)時(shí)往往受到諸多限制，而3D打印能夠突破這些限制，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)工藝難以制造的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)小型化Wilkinson功分器時(shí)，可以利用3D打印技術(shù)制作出具有復(fù)雜形狀的傳輸線、阻抗變換器以及其他關(guān)鍵部件。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，將傳輸線設(shè)計(jì)成具有特殊形狀的結(jié)構(gòu)，如螺旋狀、曲折狀等，以增加傳輸線在有限空間內(nèi)的長度，實(shí)現(xiàn)慢波效應(yīng)，從而減小功分器的尺寸。3D打印還可以實(shí)現(xiàn)多層結(jié)構(gòu)的一體化制造，將不同功能的層集成在一起，減少了層間連接的復(fù)雜性和信號(hào)傳輸?shù)膿p耗。3D打印在定制化方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。對(duì)于一些特殊應(yīng)用場(chǎng)景，如航空航天、軍事通信等領(lǐng)域，對(duì)Wilkinson功分器的性能和尺寸要求往往具有獨(dú)特性。3D打印技術(shù)可以根據(jù)具體的需求，快速定制出滿足特定要求的小型化Wilkinson功分器。在航空航天領(lǐng)域，由于設(shè)備的空間有限，需要功分器具有更小的尺寸和更高的性能。通過3D打印技術(shù)，可以根據(jù)航天器內(nèi)部的空間布局和信號(hào)傳輸要求，定制出形狀和尺寸精確匹配的功分器，提高了設(shè)備的集成度和性能。3D打印還可以實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)，對(duì)于一些需求數(shù)量較少但對(duì)性能要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景，3D打印能夠在保證質(zhì)量的前提下，快速生產(chǎn)出所需的功分器，降低了生產(chǎn)成本和生產(chǎn)周期。除了3D打印技術(shù)，其他新興工藝也在小型化Wilkinson功分器制造中得到了探索和應(yīng)用。納米制造技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的原子級(jí)操控，制造出具有納米級(jí)尺寸的元件和結(jié)構(gòu)。在小型化Wilkinson功分器中，利用納米制造技術(shù)可以制造出尺寸極小的電感、電容等集總參數(shù)元件，進(jìn)一步減小功分器的尺寸。并且可以制造出具有特殊性能的材料，如高介電常數(shù)、低損耗的納米復(fù)合材料，用于功分器的制作，提高功分器的性能。微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）工藝也是一種重要的新興工藝，它可以將微機(jī)械結(jié)構(gòu)、電子元件和電路集成在一個(gè)微小的芯片上。在小型化Wilkinson功分器的制造中，MEMS工藝可以實(shí)現(xiàn)傳輸線、阻抗變換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等學(xué)者設(shè)計(jì)的工作在VHF頻段的大功率小型化Wilkinson功分器為例，深入分析采用多層結(jié)構(gòu)的小型化功分器的性能和小型化成果。在該設(shè)計(jì)中，提出的多層結(jié)構(gòu)由兩個(gè)地平面和三個(gè)信號(hào)層組成，通過通孔連接。兩個(gè)Wilkinson的分支在兩個(gè)不同的層中實(shí)現(xiàn)，并且在底層進(jìn)行組合。功分器四分之一波長阻抗變換器被設(shè)計(jì)成了蜿蜒的傳輸線。從性能方面來看，由于電路中沒有無功集總元件，因此可以用于高功率場(chǎng)景。在VHF頻段，該功分器能夠穩(wěn)定地工作，實(shí)現(xiàn)高效的功率分配。輸入端口的回波損耗在工作頻段內(nèi)小于-15dB，表明輸入端口與傳輸線匹配良好，信號(hào)反射小，保證了信號(hào)能夠高效地輸入到功分器中。兩個(gè)輸出端口的插入損耗在工作頻段內(nèi)小于-3.5dB，接近理論值-3dB，說明信號(hào)在分配過程中的功率損失較小，能夠有效地將輸入信號(hào)的功率分配到兩個(gè)輸出端口。輸出端口間的隔離度在工作頻段內(nèi)大于20dB，有效減少了兩個(gè)輸出端口之間的信號(hào)串?dāng)_，保證了輸出信號(hào)的獨(dú)立性和純度。在小型化成果方面，通過采用多層結(jié)構(gòu)和蜿蜒傳輸線，該功分器的尺寸相比傳統(tǒng)的Wilkinson功分器顯著減小。在相同的工作頻段下，傳統(tǒng)功分器的尺寸較大，難以滿足一些對(duì)空間要求嚴(yán)格的應(yīng)用場(chǎng)景。而該設(shè)計(jì)通過合理的多層布局和蜿蜒傳輸線的設(shè)計(jì)，有效地利用了空間，減小了電路面積，使得功分器能夠更好地應(yīng)用于對(duì)尺寸要求較高的VHF頻段設(shè)備中，如小型化的VHF通信基站等。通過這個(gè)案例可以看出，采用多層結(jié)構(gòu)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，為小型化Wilkinson功分器的設(shè)計(jì)提供了一種有效的技術(shù)方案和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。五、小型化Wilkinson功分器的應(yīng)用案例分析5.1在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用5.1.1基站射頻前端在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，基站射頻前端是實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)射和接收的關(guān)鍵部分，而小型化Wilkinson功分器在其中發(fā)揮著不可或缺的作用。隨著移動(dòng)通信技術(shù)的快速發(fā)展，從4G到5G，乃至未來的6G，對(duì)基站的性能和集成度提出了越來越高的要求。小型化Wilkinson功分器憑借其緊湊的尺寸和優(yōu)異的性能，能夠滿足基站射頻前端在有限空間內(nèi)實(shí)