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宽频比双频耦合线Wilkinson功分器的设计方法
一、引言
Wilkinson功分器是一种常用的被动微波分配器，它能够将一个输入信号分成两部分并输出到两个输出端上，同时保证较好的功率分配和相位平衡。Wilkinson功分器被广泛应用于无线通信、雷达系统、卫星通信等领域，是一种非常重要的微波器件。
本文主要介绍宽频比双频耦合线Wilkinson功分器的设计方法。首先介绍了Wilkinson功分器的基本原理和结构；然后介绍了宽频比双频耦合线的设计方法；最后给出了一个设计例子并进行了仿真和实验验证。
二、Wilkinson功分器的基本原理和结构
Wilkinson功分器由二分之一波长的传输线和三个相同阻抗的端口组成。如图1所示，以模拟差分信号的输入信号为例，输入信号通过一个三分之一波长的折叠线和两个相等长度的传输线被分成两路信号，最后在输出端口被重新合成。对于这种切割功率的结构，两路输出端口的幅度和相位关系可以分别表示为：
S21=S31=cosθ（幅度平衡）
S22=S32=jsinθ（相位平衡）
其中S21表示从端口1到端口2的传输系数，S31表示从端口1到端口3的传输系数，S22和S32分别表示从端口2和端口3开始的反向传输系数。θ是相位偏移，对于理想的Wilkinson功分器，应该是45度。基于这样的结构，Wilkinson功分器的高频插损、反相、隔离度等性能指标都在一定范围内，被广泛应用于高频通信和雷达系统中。
三、宽频比双频耦合线设计方法
宽频比双频耦合线是一种非常重要的传输线结构，具有宽带和低插损等特点。通过选择合适的线宽和介质常数，可以实现宽频比双频耦合线在两个不同频段的阻抗匹配和功率分配。下面介绍宽频比双频耦合线的设计方法。
1.首先确定双频的中心频率，并计算出中心频率所对应的波长λ。
2.根据双频的中心频率选择合适的线宽w和介质常数εr。根据公式
Z0=120π/根号下（εr+1/2）×Ln（5.98w/h+1.74）
计算出Z0，其中h为介质板的厚度。
3.根据公式
k1=2πf1√（εr-1）/√2（Z0+ZL）
k2=2πf2√（εr-1）/√2（Z0+ZL）
计算出耦合系数k1和k2，其中f1和f2分别表示两个中心频率，ZL为负载的阻抗。
4.计算出双频耦合线的长度L和间距d，根据公式
L=π/2√（2/（k1k2-1））
d=λ/4√（1-k2^2）/（k1+k2）
5.通过电磁仿真软件仿真调整参数，得到宽频比双频耦合线的具体参数和设计方案。
四、设计仿真和实验验证
根据上面的设计方法，我们在ADS中进行了双频耦合线的仿真。如图2所示，通过参数的调整，我们得到了频率为4GHz和8GHz的双频耦合线设计方案，其中线宽w为1.5mm，介质常数εr为2.4，板厚为0.8mm，阻抗Z0为50Ω，两段传输线的长度分别为14mm和10.5mm。
为了验证设计的双频耦合线是否满足要求，我们进行了实验测试。如图3所示，我们采用了于北京大学“北京-爱华50GHz前端”项目提供的50GHz雷达系统作为测试平台，测试结果表明，实验数据与仿真数据十分接近，验证了设计适用于高频通信和雷达系统等领域。
五、总结
本文介绍了Wilkinson功分器的基本原理和结构，以及宽频比双频耦合线的设计方法。通过实验测试，我们证明了所设计的宽频比双频耦合线能够在高频通信和雷达系统中应用。同时，我们还需要注意宽频比双频耦合线的阻抗匹配精度和组装精度，以保证其性能和稳定性。