基于增材制造与螺旋微带传输线的对称三路威尔金森功分器/合成器设计与性能研究

《IEEE Journal of Microwaves》：Design, Additive Manufacturing, and Characterization of a Symmetric 3-Way Wilkinson Power Divider/Combiner

本刊推荐：为解决传统平面技术在实现N路威尔金森功分器时因结构不对称导致的性能劣化问题，研究人员开展了基于增材制造（AM）和螺旋微带传输线（HMTL）的全三维对称三路威尔金森功分器/合成器研究。通过结合铜电镀工艺，成功研制出工作于250 MHz和600 MHz的紧凑原型，实测显示其具有低插入损耗（约0.5 dB）、高端口隔离度（>29.5 dB）和优异对称性（幅度不平衡度<±0.2 dB），证明了全三维设计在亚GHz频段实现高性能微波器件的可行性。

　　

在射频（RF）和微波工程领域，功率分配与合成技术是无线通信、雷达系统和物联网设备中的核心需求。威尔金森功分器作为经典解决方案，以其良好的端口匹配和隔离特性被广泛应用。然而，传统平面技术在实现多路（如三路）威尔金森结构时面临严峻挑战：复杂的电阻网络布局会破坏结构对称性，导致输出端口间性能失衡；同时，低频应用所需的传输线物理长度过大（例如250 MHz时需30 cm），迫使采用弯折或加载等紧凑化手段，却引入阻抗不连续或带宽缩减等新问题。更关键的是，平面技术难以实现真正的三维对称布局，限制了器件在相位一致性、隔离度等关键指标上的优化空间。

为突破这些局限，巴塞罗那大学的研究团队在《IEEE Journal of Microwaves》发表论文，创新性地将增材制造（AM）技术与螺旋微带传输线（HMTL）设计相结合，开发出全三维对称三路威尔金森功分器/合成器。该研究通过三维打印构建 dielectric 基体，利用选择性电镀形成导电图案，最终实现工作于250 MHz和600 MHz的两种紧凑原型。实测结果表明，该设计在保持亚GHz频段低插入损耗（约0.5 dB）的同时，实现了优于29.5 dB的端口隔离度和低于±0.2 dB的幅度不平衡度，显著优于同频段平面结构。

关键技术方法包括：1）采用材料喷射三维打印技术制作介电常数为2.9的光聚合物基体；2）通过铜墨水喷涂与选择性抛光实现金属图案的精准定义，再用电镀工艺提升导电性；3）引入圆柱铜棒替代长径通孔内电镀，解决深孔金属化均匀性问题；4）利用螺旋微带传输线（HMTL）将电气长度压缩至物理长度的5倍（250 MHz原型仅60 mm）；5）基于有限元法（FEM）进行电磁仿真优化几何参数。

设计原理与结构创新

研究基于经典三路威尔金森拓扑（图2），通过三角形电阻网络实现端口匹配与隔离。创新点在于采用HMTL替代传统微带线：其螺旋结构通过调节匝数（N_t）、内外半径（r_i/r_o）等参数，在60 mm长度内实现250 MHz所需的λ/4电气长度（压缩比达0.08λ）。三维布局使三个传输线段以120°对称分布，从根本上消除平面布局中因电阻网络不对称（如P2-P4电阻需通过过孔背面安装）导致的性能差异。

制造工艺突破

图3所示的HMTL单元通过三维打印生成带沟槽的基体后，经历铜墨水喷涂、选择性抛光保留沟槽金属层，再电镀增厚导电层。关键改进是针对深孔电镀难题，预埋直径3 mm铜棒作为内导体，避免离子扩散不均导致的镀层缺陷。最终组装时通过焊接连接SMA接头与电阻网络，确保机械稳定性。

电磁性能表征

使用四端口矢量网络分析仪（VNA）测试S参数表明：1）端口匹配方面，600 MHz原型在目标频点回波损耗达-28 dB（P1）和-30 dB（P2-P4），且三个输出端口曲线高度重合（图9）；2）隔离度在600 MHz时优于41 dB，较平面版本提升25 dB；3）传输损耗为-5.2 dB（理想值-4.77 dB），幅度不平衡度<±0.2 dB，相位偏差<1°。仿真与实测的频偏（约3.5%）主要源于材料介电常数波动和接触电阻。

与平面结构的对比分析

图14显示三维原型总体损耗略高于平面结构，但仿真表明二者本应接近。差异归因于光聚合物损耗角正切（0.02）的实际波动及电镀层质量。而平面版本因P3路径需弯折、P2-P4电阻布局不对称，导致隔离度劣化（P2-P4仅-18 dB）和传输相位失衡（2.3°），凸显三维设计的结构优势。

结论与意义

本研究证实增材制造技术可通过全三维对称设计实现高性能亚GHz微波器件。螺旋微带传输线（HMTL）在保持波形连续性的同时，将器件尺寸压缩至传统方法的1/5（250 MHz原型有效长度仅0.08λ）。相比文献中同类设计（多工作于>1 GHz频段），该方案在更低频段实现更优紧凑性与对称性，为物联网（IoT）、相控阵馈电网络等应用提供了小型化解决方案。尽管当前材料损耗限制整体效率，随着低损耗介电材料（如Rogers Redix?）与三维打印技术兼容性的提升，该技术路径有望推动射频组件向更高集成度、更优性能方向发展。