中心频率
2.2 GHz
50 Ω 系统，FR4 微带实现
目标功分比
3:1
目标分配差约 4.77 dB
最终功分差
4.839 dB
最终曲线版图在 2.2 GHz 的结果
输出隔离
-27.321 dB
Port 2 与 Port 3 之间的隔离
相位差
-1.341°
设计频点两输出端基本同相
设计流程
ADS → EM → PCB
LineCalc、Momentum、JLCEDA
项目背景
本项目将 Wilkinson 功分器从理论设计推进到实际板级实现。相比常见的等功分版本，设计目标选择 2.2 GHz、3:1 功率分配比 的非等功分结构，并且实现基板直接放在 FR4 上，而不是更理想的微波板材。
这样的设置让问题更接近工程实现。FR4 在这个频段上的损耗更明显，材料参数也没有那么稳定；另一方面，非等功分 Wilkinson 本身就比等功分版本更敏感：两条支路阻抗不同，线宽差异大，隔离电阻的放置方式也会直接影响最终响应。因此项目重点不只是计算理论参数，而是把一个理论上成立的结构逐步推进到可落地的版图实现版本。
设计目标与约束
项目目标如下：
| 项目 | 目标值 |
|---|---|
| 中心频率 | 2.2 GHz |
| 系统阻抗 | 50 Ω |
| 功分比 | 3:1 |
| 实现形式 | FR4 微带线 |
| 重点关注指标 | 功分比、回波损耗、端口隔离、相位差 |
基板参数则按常见 FR4 工艺设置：
| 参数 | 数值 |
|---|---|
| 相对介电常数 | 4.6 |
| 板厚 | 1.6 mm |
| 铜厚 | 35 μm |
| 损耗角正切 | 0.02 |
这些约束意味着设计目标不是“理想情况下能工作”的 Wilkinson divider，而是从一开始就带着真实工程问题进行设计。
拓扑与理论推导
进入 ADS 之前，先按非等功分 Wilkinson 的标准关系式完成参数推导。这个结构可以理解成：输入信号从 Port 1 进入，经两条四分之一波长支路分到两个输出端，输出端之间用隔离电阻连接，用来改善端口之间的隔离。
对于 3:1 功率分配，先定义：
功分关系： k² = P₂ / P₃ = 3，因此 k = √3。
接下来就可以得到几组核心设计公式：
| 参数 | 表达式 | 代入结果 |
|---|---|---|
| Z₂ | Z₀ · sqrt((1 + k²) / k³) | 43.87 Ω |
| Z₃ | Z₀ · sqrt(k · (1 + k²)) | 131.61 Ω |
| ZL2 | Z₀ / sqrt(k) | 37.99 Ω |
| ZL3 | Z₀ · sqrt(k) | 65.80 Ω |
| Riso | Z₀ · (1 + k²) / k | 115.47 Ω |
公式本身并不复杂，但它给了后面所有设计步骤一个清晰起点：先求出理想电路里每一段应该是什么阻抗，再交给 LineCalc 去换算成 FR4 上的微带尺寸。
从阻抗参数到初始微带尺寸
将理论阻抗放进 ADS LineCalc 之后，可以得到第一版微带线宽度和长度。它们不是最终值，但足够用来搭原理图和画第一版版图。
| 线段 | 宽度 | 长度 |
|---|---|---|
| Z₂ | 3.647 mm | 18.157 mm |
| Z₃ | 0.239 mm | 19.900 mm |
| ZL2 | 4.554 mm | 17.951 mm |
| ZL3 | 1.762 mm | 18.785 mm |
这里已经能看出后面版图为什么会难做：Z₃ 对应的是一条非常窄的高阻抗微带线，到了真实版图里，它对弯折、间距和制造误差都会特别敏感。也就是说，参数一旦从公式走到版图，难点马上就从“怎么算”变成了“怎么画”。
初始原理图与第一次验证
把参数换成微带尺寸之后，在 ADS 里搭建完整原理图，用于确认理论值本身没有明显偏离。这个阶段主要做三件事：
- 用 FR4 基板参数搭建微带模型；
- 用 MTEE、MLIN 和隔离电阻还原 unequal Wilkinson 结构；
- 做 1.5 GHz 到 3 GHz 的 S 参数扫描，看功分比、匹配和隔离的大致趋势。
原理图级别的结果通常不会太难看，但它离真正的版图实现还有一段距离。原理图里没有考虑真实拐角、走线耦合，也没有处理隔离电阻到底该怎么放。因此原理图仿真通过，只能说明“方向对了”，不能说明“版图已经能用了”。
真正的难点：版图落地
这个项目真正花时间的地方，是版图而不是公式。
非等功分 Wilkinson 的两个主支路阻抗不同，其中一条高阻抗线特别窄；与此同时，为了放置 0402 隔离电阻，两个输出节点又必须在几何上靠得足够近。这两件事存在相互牵制：靠近一点，电阻更容易连接，但输出耦合也更严重；拉开一点，隔离会改善，但版图长度和整体平衡又更难控制。
后续流程基本就是反复执行以下几步：
- 先手工画 custom 版图；
- 在 ADS Momentum 里做电磁仿真；
- 生成 emModel，回到协同仿真原理图里和离散电阻一起仿；
- 看结果，再改版图。
几轮迭代结果说明，这个结构并不是“把参数放进去就能自动收敛”。很多时候一个指标被调好，另外几个指标会跟着偏移。最终比较的不是单项指标最接近理论值，而是能否把几项关键性能压到一个更均衡的位置。
三轮版图迭代
第一版：优先考虑电阻连接
第一版版图最先解决的是“电阻怎么放”这个问题。为了让 0402 隔离电阻更容易连接，两个输出支路尽量平行展开。这个布局很好理解，也确实方便实现，但代价也很直接：两条输出线靠得太近，耦合比较明显。
第二版：先把输出支路拉开
第二版首先把输出支路改成反向展开，让两条线的物理间距尽量大一些。这个改动对隔离度确实有效，但也带来了新的问题：虽然隔离变好了，功分比和相位差却没有第一版那么顺。
最终版本：改掉急弯，保留分离思路
最后一版保留输出支路分离的思路，同时把主分支改成更平滑的曲线形状。这样做的目标很明确，就是减少急弯带来的不连续效应，让真实版图的等效电长度更接近预期。
这一版没有追求某一项指标绝对最好，但综合起来最均衡，因此作为最终保留版本。
结果对比与最终表现
如果只看最终结果，这个项目在 2.2 GHz 处达到了下面这组数据：
S21 = -1.792 dBS31 = -6.631 dB- 功分比差值
4.839 dB S23 = -27.321 dB- 相位差
-1.341° - 各端口回波损耗大约都优于
-18 dB
对 FR4 上的非等功分结构来说，这组结果已经说明该版图不是纸面上的推导结果，而是一个考虑了现实约束之后的可实现版本。它和理想理论值仍有差距，但关键指标已经收敛到可继续推进的范围内。
为了更直观看三轮迭代的差别，三版关键仿真结果放在一起对比。第一版的问题主要是耦合；第二版虽然把隔离拉上去了，但相位差和整体平衡不够理想；最终版则是在功分比、隔离、匹配和相位差之间找到了一个更顺的平衡点。
最终版保留了协同仿真结构。这个步骤本身并不复杂，但它把平面金属版图和实际的离散隔离电阻真正连了起来，是从“看起来像版图”走到“可以按这个版图继续做下板”的关键一步。
PCB 复现与实际实现考虑
在 ADS 里把最终版图收敛下来以后，项目没有停在“仿真完成”这一步，而是继续把几何迁移到 JLCEDA，补上 0402 电阻封装、边缘安装的 SMA 连接器和基础丝印。这一步的意义很明确：确认这个设计到底只是软件里的一个结果，还是已经具备继续往 PCB 实现推进的条件。
这里还没有实际下板，因此不能定义为“已经验证完成”的项目。更准确地说，它已经到了一个 具备下板条件 的阶段：几何能落，器件能放，接口也明确了，下一步如果继续推进，就是下板、焊接、上 VNA 做实测。
设计总结
这个项目也说明，很多 RF 设计看起来公式不多，但真正做起来并不轻松。难点往往不在于“公式会不会推”，而在于：
- 理论尺寸到了版图里会不会失真；
- 两条线靠近一点，隔离会掉多少；
- 一条高阻抗窄线经过几个弯折以后，等效电长度会偏多少；
- 当某一个指标被调好时，另外几个指标会不会跟着跑掉。
这个项目完整走通了 理论参数 → 原理图 → 版图 → 电磁 / 协同仿真 → PCB 复现 这条链路。即使最后还没有实测，它也已经把微带无源器件从“会算”推进到“知道怎么往可实现方向推进”。
后续验证计划
如果后续继续推进，重点工作包括：
- 实际下板并用 VNA 测量，把仿真和实测结果放在一起对比；
- 重点看 FR4 参数偏差、SMA 发射端过渡和电阻焊接寄生对结果的影响；
- 换成损耗更低、介电常数更稳定的微波基板，再做一次对比；
- 在保持 3:1 功分比的前提下，继续压缩版图尺寸，让结构更紧凑一些。
如果继续做下去，这会是一个很自然的下一阶段：从“仿真收敛”走到“板级验证”。