微波功分器设计及测试

实验十三 微波功分器一、 实验目的1.了解功分器的原理及基本设计方法。

2.测量微波功分器模块，了解功分器的特性。

二、预习内容1.熟悉功率分配的理论知识。

2.熟悉功分器的理论知识。

三、实验设备四、理论分析（一）功分器的原理:功分器是三端口网络结构（3-port network ），如图18-1所示。

信号输入端（Port-1）的功率为P1，而其他两个输出端（Port-2及Port-3）的功率分别为P2及P3。

由能量守恒定律可知P1=P2 + P3。

若P2=P3并以毫瓦分贝（dBm ）来表示三端功率间的关系，则可写成： P2(dBm) = P3(dBm) = P in (dBm) – 3dB图18-1 功率衰减器方框图当然P2并不一定要等于P3，只是相等的情况在实际电路中最常用。

因此，功分器在大致上可分为等分型（P2=P3）及比例型（P2=K ·P3）两种类型。

其设计方法说明如下：（1） 等分型：根据电路使用元件的不同，可分为电阻式、L-C 式及传输线式。

Port-1 P1Port-3 P3Port-2 P2A. 电阻式：此类电路仅利用电阻设计。

按结构可分成Δ形,Y 形，如图18-2(a)(b)所示。

图18-2(a)Δ形电阻式等功分器 图（b ）Y 形电阻式等功分器其中Zo 就是电路特性阻抗（Characteristic Impedance ），在高频电路中，在不同的使用频段，电路中的特性阻抗不相同。

在本实验中，皆以50Ω为例。

此型电路的优点是频宽大、布线面积小、及设计简单，而缺点是功率衰减较大（6dB ）。

理论推导如下:· ·V1 = ·V1 V 2 = V3 = ·V0∴V 2 = ·V1→20·log[ ]= -6dBB. L-C 式此类电路可利用电感及电容进行设计。

按结构可分成高通型和低通型，如图18-3(a)(b)所示。

其设计公式分别为：a.低通型（Low-pass ）：oo oo p o oS f Z C Z L ⋅=⋅=⋅=πωωω212其中 fo ——操作频率（operating frequency ）Zo ——电路特性阻抗（characteristic impedance ） Ls ——串联电感（series-inductor ） Cp ——并联电容（shunt-capacitor ） b.高通型（High-pass ）： oo oo S oop f Z C Z L ⋅=⋅==πωωω22其中 fo ——操作频率（operating frequency ）V Zo1 2 3 4 2 3 34 1 2 V 2 V 1 Port P 1P 2 P 3 P 1P 2 P 3 Port (a)(b)Zo——电路特性阻抗（characteristic impedance） Lp——并联电感（shunt-inductor）Cs——串联电容（series-capacitor）图18-3(a) 低通L-C式等功分器; (b) 高通L-C式等功分器C．传输线式（Transmission-line Type）此种电路按结构可分为威尔金森型和支线型，如图4-3(a)(b)所示。

微波_功分器实验报告实验目的：1.了解微波功分器的工作原理，掌握功分器的性能参数。

2.研究功分器的插入损耗、反射系数和隔离度等参数的测量方法，掌握相应的测量技术。

3.通过实验，掌握测量设备的使用方法，锻炼动手能力，提高实际操作技能。

4.对测量结果进行分析，探究实验误差的来源及对误差进行处理和评估。

实验原理：功分器是微波电路中常用的无源器件之一，用来将输入信号分配到多个输出端口上。

功分器的基本结构如下图所示：功分器的输入端口和输出端口都是50欧姆特性阻抗，一般有平衡和非平衡两种结构。

功分器在实际使用中的性能参数有：通带的插入损耗，反射系数和隔离度。

1.插入损耗是功分器的一个重要性能指标，它是指功分器在工作频率范围内，输人信号与各个输出端口之间的实际损耗。

用dB表示。

2.反射系数是指功分器各个端口反射回来的电磁波与输入电磁波之间的幅度比值，反射系数越小，功分器的性能越好。

3.隔离度是指在功分器输出端口之间的幅度相互影响的程度，没有相互影响的功分器，其隔离度应大于 20 dB。

用dB表示。

1.微波功分器XZ-30422. 微波定向耦合器K1C-0633. 各种线缆、连接器和HPC卡4. 网络分析仪E5100A实验步骤：1.将微波功分器与端口1连接。

使用E-5100A网络分析仪测量功分器的S参数。

2.用1端口连接K1C-063定向耦合器，定向耦合器的(C)端口接1端口。

调节定向耦合器的旋钮，得到输入端的测试点的S参数。

3.用网络分析仪分别测量功分器的各个端口的S参数，在频率范围内采集充分的数据集，以作后续分析和处理。

实验结果：1.测量功分器的S参数，绘制功分器的频率响应曲线，得到功分器的通带和阻带频率。

威尔金森是怎么设计出威尔金森功分器的？威尔金森功分器是个好东西，在射频领域里面应用很广泛。

第一次认识它是在教科书上，书上介绍了他的原理，自己也琢磨了很久，也理解了奇偶模分析的方法和隔离电阻的作用。

但是一直想知道威尔金森是怎么设计出来的？我们是否也可以按照一定的思路设计功分器呢？下面就去找这个思路，最终找到的这个思路可以方便的设计各种各样的功分器，俺的同事已经实践了哈，大家看完也可以试验一把。

首先明确一下这个功分器的要求：1.在微波射频领域，能量是非常宝贵的，所以设计的功分器不能够额外损失能量，如果分为两路的话就是每一路损耗3dB，即︱S21︱=︱S31︱=0.7072.各端口均50欧姆匹配，且两个输出口的完全隔离，即︱S11︱=︱S22︱=︱S33︱=︱S32︱=︱S23︱= 0图2根据以上的要求，我们设计一个对称的功分器，这样就可以只考虑一个端口，上面条件的一半就可以了，即︱S21︱=0.707，︱S11︱=︱S22︱=︱S32︱=0。

如图2所示，从中间把这个我们要设计的功分器分开，两边的的电压都是一模一样的，处处都是开路点。

1．由于端口1匹配，所以输入阻抗为50欧姆。

从1端口输入的能量分为对称的两路，那么每一路的阻抗都是100欧姆。

这个功分器第一个任务的就要用开路线左边的部分把端口2的50欧姆变换到100欧姆，且无损耗。

2．根据微波网络的理论，如果我们使用的都是电容，电感，传输线，电阻这些互易原件，那么整个功分器也就是互易的（关于对这个理论的理解后面文章会给出解释）。

即︱S2 1︱=︱S12︱=0.707。

也就是从端口2到端口1的能量为一半，那另外一半呢？又不能反射回去，又不能泄漏到端口3。

所以这个功分器的第二个任务就是要有一个电阻来吸收端口2入射过来的一半能量。

这个需求太抽象了，还要细化分解，下面利用奇偶模的方法来分析一下。

如下图所示，从端口2输入一个电压幅度为1的波，分解为奇偶模式，偶模式就是1端口输入情况下功率分配的逆过程，端口2、3均无反射波，有一半的能量从端口1输出，那么奇模的能量必须都要消耗到电阻上，不能有反射波回来。

本科课程设计报告课程名称：微波技术与天线实验地点：博学馆一层机房专业班级：电信1201 学号：2012001427实验名称：微波宽带10GHz功分器的设计学生姓名：指导教师：刘建霞2015年6月30日课程设计任务书注：课程设计完成后，学生提交的归档文件应按，封面—任务书—说明书—图纸的顺序进行装订上交（大张图纸不必装订）指导教师签名： 日期：2015-6-10专业班级电信1201 学生姓名 杨凯 课程名称 微波技术与天线 课程设计 设计名称宽带功分器 设计周数 1.5周 指导教师 李鸿鹰 设计任务主要设计参数 1 熟悉HFSS 仿真平台的使用 2 熟悉宽带功分器的工作原理与设计方法 3 在HFSS 平台上完成如下宽带功分器的仿真设计 设计要求如下： 频率：10GHz 介质：vacuum 4 结合同组其他同学的设计结果完成对于该天线结构参数与性能之间关系的探讨 5 在1.5周内完成设计任务设计内容设计要求6.11：分组、任务分配、任务理解 6.12：查阅参考资料，理论上熟悉所设计的器件的工作原理与特性，完成方案设计。

6.15~6.18：熟悉仿真平台的使用，完成在平台上的建模，设置，结果提取与分析，以及验收。

6.19：同组同学结果汇总及讨论 6. 22：设计说明书的撰写 在设计过程中，作为设计小组成员，每位同学要具有团队意识和合作精神，并最终独立完成自己的设计任务。

主要参考资 料刘学观，微波技术与天线，西安电子科技大学电出版社，2012 顾继慧，微波技术，科学出版社，2007 李明洋，HFSS 应用设计详解，人民邮电出版社，2010 学生提交归档文件1.设计报告2.工程文件摘要：在微波系统中，需要将发射功率按一定的比例分配到各发射单元，如相控阵雷达等，因此功分器在微波电路中有着广泛的应用。

它性能的好坏直接影响到整个系统能量的分配和合成效率。

随着宽带天线、宽带滤波器等器件的不断发展，对宽带功分器的要求也越来越高，需求也越来越大。

Wilkinson功率分配器的设计、仿真、加工、和测试一.实验目的：1.掌握功分器的原理及基本设计方法2.学会使用仿真软件ADS对功分器进行仿真3.掌握功分器的实际制作和测试方法，提高动手能力力二．实验内容：1设计一中心频率为1Ghz，工作频带0.9Ghz--1.1GHZ的3dB单节Wilkinson 功分器；2 指标要求：带内匹配S11≤-15dB, 功分-3.5dB≤S21≤-2.5Db, 隔离S23≤-15dB；3 微带线基板的相对节点常数ε=2.65，微带线基板的厚度h=3mm，损耗角正切0.003三．实验仪器微波无源试验箱一台，矢量网络分析仪一台，TXLine2001，ADS软件；四．实验过程Ⅰ.原理图设计a、根据实验的指标要求计算微带的尺寸，计算得50Ω的微带线宽度为8.195mm，四分之一波长为50.748mm。

b、打开ADS软件，创建项目，在元件库选择元器件MSUB、V AR、MLIN、MTEE、MSOBND和电阻R=100Ω。

搭建如下图所示的原理图并输入参数：Ⅱ.功分器仿真：a、选择S参数仿真元件面板，设置参数，起始频率0.6GHZ，频率扫描终止值1.4GHZ，步长为0.005GHZ。

b、插入优化控件Optim和4个目标控件Goal，修改其参数如图1；c、进行仿真，单击Simulate图标，进行仿真，在数据显示窗用矩形表示S参数曲线图表示，如下图d、生成版图，先将原理图中的TERM、电阻和接地以及优化控件去掉，生成版图后按其实际的大小打印，如下图：Ⅳ.实物制作将打印的功分器版图贴在铜箔上，用刀切割铜箔，切割完成后，将铜箔粘到实验板上，如下图1．粘贴铜箔时要整齐，可先用粘性不太大的胶带粘在刚切好的铜箔上，让后再贴在实验板上；2．粘贴铜箔时要平整，在用万用表的欧姆档进行验证。

有响声表示短路则说明连接好了；Ⅴ. 实物测试及结果。

综合课程设计实验报告课程名称：综合课程设计（微波组）实验名称：威尔金森功分器的设计院（系）：信息科学与工程学院2020 年6月12 日一、实验目的1. 了解功分器电路的原理和设计方法；2. 学习使用Microwave office 软件进行微波电路的设计、优化、仿真；3. 掌握功率分配器的制作及调试方法。

二、实验原理Wilkinson 功率分配器根据微波网络理论，对于三端口网络，匹配、互易、无耗三者中，只能有两个同时满足。

Wilkinson 功率分配器是一个有耗的三端口网络（如图1.1所示），它通过在输出端之间引入特性阻抗为2Z 0的电阻，实现了理想的功率分配与功率合成。

用于功率分配时，端口1是输入端，端口2和端口3是输出端；用于功率合成时，端口2和端口3是输入端，端口1是输出端。

可以制成任意功率分配比的Wilkinson 功率分配器，本实验只考虑等分（3dB ）的情况，其结构如图1.2所示。

由两段微带线与输出端之间的电阻构成，两段微带线是对称的，其特性阻抗为02Z ，长度为/4g ，并联电阻值为2Z 0。

图1.1 Wilkinson 功分器示意图图1.2 微带线形式的等分Wilkinson 功分器三、实验内容和设计指标实验内容1. 了解Wilkinson功分器的工作原理；2.根据指标要求，使用Microwave office软件设计一个Wilkinson功分器，并对其参数进行优化、仿真。

设计指标在介电常数为4.5，厚度为1mm的FR4基片上（T取0.036mm，Loss tangent取0.02），设计一个中心频率为f=3.2GHz、带宽为200MHz，用于50欧姆系统阻抗的3dB微带功分器。

要求：工作频带内各端口的反射系数小于-20dB，两输出端口间的隔离度大于25dB，传输损耗小于3.5dB。

功分器的参考结构如1.3图所示。

在设计时要保证两个输出端口之间的距离大于10mm，以便于安装测试接头；同时为了便于焊接电阻，d要为2.54mm左右。

威尔金森功分器设计威尔金森（Wilkinson）功分器是一种被广泛应用于微波和射频电路中的功率分配器。

它可以将输入功率均匀地分配到多个输出端口上，同时保持相对较低的插入损耗和反射损耗。

该设计是由威尔金森在1960年首次提出的，至今仍被广泛使用。

威尔金森功分器的基本原理是利用两个负载和两个耦合器来实现功率的分配。

它的结构简单，由一个中央传输线和两个分支传输线组成。

中央传输线被连接到输入端口，而分支传输线则与两个输出端口相连。

两个耦合器被用来连接中央传输线和分支传输线，以实现功率的分配。

在威尔金森功分器中，输入功率通过中央传输线传输到两个分支传输线上。

在分支传输线的连接点处，耦合器将一部分功率耦合到负载上，同时将另一部分功率传输到另一个分支传输线上。

这样，输入功率就被均匀地分配到两个输出端口上。

为了保持较低的插入损耗和反射损耗，威尔金森功分器要求分支传输线具有相同的特性阻抗，并且耦合器能够实现理想的功率分配。

在实际设计中，可以使用微带线、同轴电缆或波导等不同的传输线类型来实现威尔金森功分器。

威尔金森功分器的设计需要考虑多个参数，包括特性阻抗、分支传输线的长度和宽度、耦合器的设计等。

通过合理选择这些参数，可以实现所需的功率分配比例和频率响应。

尽管威尔金森功分器在功率分配方面表现出色，但它也存在一些限制。

首先，它只能实现功率的均匀分配，不能实现不同比例的功率分配。

其次，威尔金森功分器的设计需要考虑较多的参数，对于频率较高的应用来说，设计和制造的难度会增加。

总之，威尔金森功分器是一种常用的功率分配器，广泛应用于微波和射频电路中。

它的设计原理简单，通过合理选择参数可以实现所需的功率分配比例。

然而，设计师在使用威尔金森功分器时需要考虑一些限制，以确保其性能和可靠性。

功率分配器的设计与仿真学院：物理与电子工程学院专业：通信工程功分器设计实验报告一、实验目的通过设计功分器结构，了解功率分配器电路的原理及设计方法，学习使用软件进行微波电路的设计，优化，仿真。

掌握功率分配器的制作及调试方法。

二设计要求指标通带范围0.9-1.1GHZ。

双端输出，功分比1:1.。

通带内个端口反射系数小于-20dB。

俩个输出端口隔离度小于-20dB。

传输损耗小于3.1dB.三：功分器的基本原理：一分为二功分器是三端口网络结构，如图9-1所示。

信号输入端的功率为P1，而其他两个端口的功率分别为P2和P3。

由能量守恒定律可知：P1=P2+P3。

如果P2(dBm)=P3(dBm),三端口功率间的关系可写成：P2(dBm)=P3(dBm)=(dBm)-3dB。

当然，并不一定要等于P3，只是相等的情况在实际电路中最常用。

因此，功分器可分为等分型（P2=P3）和比例型(P2=kP3)两种类型。

功分器的主要技术指标包括频率范围、承受功率、主路到支路的分配损耗、I/O间的插入损耗、支路端口间的隔离带、每个端口的电压驻波比等。

1）频率范围：这是各种射频/微波电路的工作前提，功分器的设计结构与工作频率密切相关。

必须首先明确功分器的工作频率，才能进行下面的设计。

2）承受功率：在功分器/合成器中，电路元件所能承受的最大功率是核心指标，它决定了采用什么形式的传输线才能实现设计任务。

一股地，传输线承受功率由小到大的次序是微带线、带状线、同轴线、空气带状线、空气同轴线，要根据设计任务来选择用何种传输线。

3〕分配损耗：主路到支路的分配损耗实质上与功分器的主路分配比，Ad有关。

其定义为，式子中：Pin=kPout，例如：两等分功分器的分配损耗是3dB，四等分功分器的分配损耗是6dB。

4）插入损耗：1/0间的插入损耗是由于传输线（如微带线）的介质或导体不理想等因素产生的。

考虑输入端的驻波比所带来的损耗，插入损耗，Ai定义为：Ai=A-Ad。