微带功分器耦合器设计

功分器耦合器电桥原理与分析功分器（Power Divider）是一种用于将输入功率分配到多个输出端口的器件。

它在无线通信系统和微波电路中广泛应用，用于将信号平均分配到多个天线或传感器。

功分器有不同的结构和原理，其中最常见的有微带功分器、负载不平衡功分器和等分功分器。

微带功分器是一种常用的功分器结构。

它采用微带线作为传输介质，在微带线上设计一个特定的结构来实现功分作用。

微带功分器一般由三个端口组成，一个输入端口和两个输出端口。

输入信号通过微带线进入功分器，在功分器的特定结构中，信号被分配到两个输出端口。

微带功分器的原理基于微带线的电磁耦合效应，通过精确的线宽和间距设计来实现。

负载不平衡功分器是另一种常见的功分器结构。

它由两个变压器和一个负载组成。

输入信号通过其中一个变压器，经过变压器的轮流导通，被分配到不同的输出端口。

负载不平衡功分器的原理基于变压器工作原理，通过调整变压器参数和负载来实现功分作用。

等分功分器是一种特殊的功分器结构，它将输入功率均匀地分配到多个输出端口。

等分功分器的主要原理是基于相移和阻抗匹配。

输入信号经过功分器时，会根据设计的相位变化，将信号分配到不同的输出端口。

等分功分器的设计需要考虑相位平衡和阻抗匹配的问题。

对于功分器的分析，可以通过参数和性能指标来评估其性能。

常见的参数包括功分比、驻波比和插入损耗。

功分比表示功分器将输入功率平均分配到所有输出端口的能力，通常以分贝为单位表示。

驻波比表示功分器对输入信号的匹配情况，较低的驻波比表示较好的匹配性能。

插入损耗表示功分器将输入功率转移到输出端口时的损耗。

在功分器的设计过程中，需要考虑到频率响应、功率损耗和相位平衡等因素。

频率响应是指功分器在不同频率下的性能，通常以带宽和平坦度来表示。

功率损耗是指功分器在功率分配过程中的能量损失情况，通常以分贝为单位表示。

相位平衡是指功分器将输入信号平均分配到输出端口时的相位一致性，较好的相位平衡可以保证系统性能。

微带功率分配器设计1. 功率分配器论述：1.1 定义：功率分配器是一种将一路输入信号能量分成两路或多路信号能量输出的器件，也可反过来将多路信号能量合成一路输出，此时也可称为合路器。

1.2 分类：1.2.1 功率分配器按路数分为：2 路、3 路和 4 路及通过它们级联形成的多路功率分配器。

1.2.2 功率分配器按结构分为：微带功率分配器及腔体功率分配器。

1.2.2 根据能量的分配分为：等分功率分配器及不等分功率分配器。

1.2.3 根据电路形式可分为：微带线、带状线、同轴腔功率分配器。

1.3 概述：常用的功率分配器都是等功率分配，从电路形式上来分，主要有微带线、带状线、同轴腔功率分配器，几者间的区别如下：（1）同轴腔功分器优点是承受功率大，插损小，缺点是输出端驻波比大，而且输出端口间无任何隔离。

微带线、带状线功分器优点是价格便宜，输出端口间有很好的隔离，缺点是插损大，承受功率小。

（2）微带线、带状线和同轴腔的实现形式也有所不同：同轴腔功分器是在要求设计的带宽下先对输入端进行匹配，到输出端进行分路；而微带功分器先进行分路，然后对输入端和输出端进行匹配。

下面对微带线、带状线功率分配器的原理及设计方法进行分析。

2．相关技术指标：2.1 概述：功率分配器的技术指标包括频率范围、承受功率、主路到支路的分配损耗、输入输出间的插入损耗、支路端口间的隔离度、每个端口的电压驻波比等。

2.2 频率范围：频率范围各种射频/微波电路的工作前提，功率分配器的设计结构与工作频率密切相关。

必须首先明确分配器的工作频率，才能进行下面的设计。

2.3 承受功率：在大功率分配器/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。

一般地，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线。

2.4 分配损耗：主路到支路的分配损耗实质上与功率分配器的功率分配比有关。

微带线定向耦合器的设计一、数学模型1、耦合度和传输系数图12所示，是平行耦合微带线定向耦合器的示意图。

当①端口信号激励时，③端口为隔离端无输出、而耦合端口②及直通端口④有输出。

根据奇、偶模分析方法可知，耦合端口②及直通端口④的输出电压分别为，θθθθθθθθsin )(cos 2sin cos sin )(cos 2sin cos 20200000020000002020000200002Z Z j Z Z jZ Z Z Z Z j Z Z jZ Z Z U e e e e +++-+++=θθθθsin )(cos 2sin )(cos 22020000000002020000002Z Z j Z Z Z Z Z Z j Z Z Z Z U e e e ++-++=式中：e Z 0和00Z 分别为耦合微带线的偶模和奇模特性阻抗，e θ和0θ分别是耦合微带线的偶模和奇模的电长度，0Z 是端口的端接阻抗。

根据（1）式可知定向耦合器的耦合度为，)dB (||lg 202U C ='而根据（2）式可得传输系数为，)dB (||lg 204U T =但需要满足以下条件，即：)1()2()3()4(eO e e e e Z Z Z Z Z Z Z θθθθsin sin sin sin 000000000020++==如果假设耦合微带线中传输的是TEM 波（而不是准TEM 波），则可忽略奇、偶模相速的差别而认为：θθθ==0e，此时（1）～（4）式可以改写成以下形式，即：θθθsin cos 1sin 2002j C jC U +-=θθsin cos 112204j C C U +--=式中：0000000Z Z Z Z C e e +-=2f f ⨯=πθ但需要满足以下条件，即：00020Z Z Z e =根据（5）～（9）式可知，此时的耦合度和传输系数分别变为，)dB ()cos 1sin lg(10220220θθC C C -=' )dB ()cos 11lg(1022020θC C T --=而中心频率的耦合度为，)dB ()lg(20lg 200000000Z Z Z Z C C e e +-=='2、耦合区的长度 )5()6()7()8()9()10()11()12()13(根据（11）式可知，当耦合区的电长度090=θ时，耦合度C '最大，耦合器获得最大的耦合输出。

微带功分器和耦合器的研究与设计的开题报告一、选题背景及研究意义微带功分器和耦合器广泛应用于微波电路中。

功分器能够将输入信号分配到多个输出端口，而耦合器则能够将信号从一个端口传输到另一个端口，并且能够实现不同级之间的功率匹配。

随着微波技术和通讯技术的不断发展，对于高性能、小型化的功分器和耦合器的需求越来越大。

因此，研究微带功分器和耦合器的设计方法及性能优化将具有重要的实际应用价值。

二、研究内容和目的本课题的研究内容包括：微带功分器和耦合器的基本原理、各种微带功分器和耦合器的设计方法、设计过程中需要考虑的因素、性能评价指标等。

本课题旨在：1. 研究各种微带功分器和耦合器的设计方法，包括传统的串联线功分器和反射式功分器，以及常见的耦合器类型，如等长线耦合器、微带环路耦合器和插入式耦合器等；2. 掌握微带功分器和耦合器的设计过程中需要考虑的因素，如匹配网络的设计、信号的损耗及幅度均衡等；3. 研究微带功分器和耦合器的性能评价指标，如功率分配的均匀性、损耗、隔离度、反射损耗等；4. 针对当前微波电路设计的需求，结合硬件条件，设计出符合实际需求的微带功分器和耦合器。

三、研究方法和方案本课题的研究方法主要包括文献调研和仿真设计。

1. 文献调研：通过查阅相关文献和国内外研究成果，了解微带功分器和耦合器的基本原理和设计方法，在此基础上深入分析和归纳总结。

2. 仿真设计：基于Ansoft HFSS等仿真软件，对不同的微带功分器和耦合器进行仿真设计。

通过设计中的实验数据分析，得出微带功分器和耦合器的参数特性。

四、预期结果本课题预期结果包括：1. 掌握微带功分器和耦合器的基本原理及设计方法，以及设计过程中需要考虑的因素。

2. 能够设计出高性能、小型化的微带功分器和耦合器。

3. 提出一种合理的微带功分器和耦合器的性能评价指标，为微带功分器和耦合器的优化提供参考。

五、研究进度安排第一阶段（1-2周）：文献调研和阅读，对微带功分器和耦合器的基本原理和设计方法进行了解和掌握。

功分器基本工作原理：威尔金森功率分配器的功能是将输入信号等分或不等分的分配到各个输出端口，并保持相同输出相位。

环形器虽然有类似功能，但威尔金森功率分配器在应用上具有更宽的带宽，微带型功分器的电路如图9-1所示。

其中，输入端口特性阻抗为Z0；两端分支微带线电长度为1/4波长，特性阻抗分别为Z02和Z O3，终端分别接Z O2端口1Z O3功分器各个端口的特性如下：1、端口1无反射2、端口2和端口3输出电压相等且同相3、端口2、端口3输出功率比值为任意指定值1/K2因此，1/Z IN2 +1/Z IN3 =1/Z0;K2=P3 /P2 , P3 =1/2*U32/R3, P2=1/2*U22 /R2U3= U2在四分之一波长传输线阻抗变换理论的：Z IN2 *R2= Z O22Z IN3*R3= Z O32设R2=K* Z0，则Z O2，Z O3，R3 为：Z O2= Z0 exp（K(1+ K2 )）Z O3= Z0 exp（K(1+ K2 )/K3）R3= Z0 /K为了增加隔离度在端口2和端口3之间加一贴片电阻R，隔离电阻R的电阻值为R=Z0 (K+1/K)当K=1时，上面的结果化简为功率相等情况，还可以看出，输出线是与R2=KZ0和R3=Z0/K 匹配的，而不与阻抗Z0匹配。

定向耦合器工作原理LANGE耦合器结构如图9-26所示。

端口1的输入功率一部分直接传递给直通端口2，另外一部分耦合到耦合端口3.在理想的定向耦合器中，没有功率传递到隔离端口4，LANGE耦合器的直递端口2与耦合端口3之间有90度的相位差，可见LANGE耦合器是正交耦合器。

图中。

Z0为输入微带线的特性阻抗；W为微带线的宽带，S为微带线之间的间距；λ/4为工作带宽中心频点处的四分之一波长。

LANGE耦合器的耦合系数常用C表示，耦合系数C的参数有线宽比率W/H、缝隙宽度比率S/H、基板介电常数εr；导体厚度比率T/H和频率，这5个参数的微小偏差会导致耦合器奇偶模阻抗发生相应变化，从而在耦合线数目N固定的情况下使耦合系数C和特性阻抗Z0发生变化，缝隙宽带比率S/H、导体厚度比率T/H的偏差对耦合系数C又较大影响，而其余三个参数的偏差对于耦合的影响比较小，但对于特性阻抗Z0的影响是不可忽略的。

功分器、耦合器、电桥原理与分析本文主要介绍通信链路上的部分无源器件，介绍器件的外观、作用、种类、主要技术指标定义和范围等。

1功分器1）功分器的作用：是将功率信号平均地分成几份，给不同的覆盖区使用。

2）种类：功分器一般有二功分、三功分和四功分3种。

功分器从结构上分一般分为：微带和腔体2种。

腔体功分器内部是一条直径由粗到细程多个阶梯递减的铜杆构成,从而实现阻抗的变换,二微带的则是几条微带线和几个电阻组成,从而实现阻抗变换.3）主要指标：包括分配损耗、插入损耗、隔离度、输入输出驻波比、功率容限、频率范围和带内平坦度。

以下对各项指标进行说明:l 分配损耗：指的是信号功率经过理想功率分配后和原输入信号相比所减小的量。

此值是理论值，比如二功分3dB，三功分是4.8dB,四功分是6dB。

（因功分器输出端阻抗不同，应使用端口阻抗匹配的网络分析仪能够测得与理论值接近的分配损耗）耦合器和三功分器图示分配损耗的理论计算方法:如上图所示。

比如有一个30dBm的信号，转换成毫瓦是1000毫瓦，将此信号通过理想3功分器分成3份的话，每份功率＝1000÷3＝333.33毫瓦，将333.33毫瓦转换成dBm＝10lg333.33=25.2dBm, 那么理想分配损耗＝输入信号－输出功率＝30－25.2=4.8dB,同样可以算出2功分是3dB，4功分是6dBl 插入损耗：指的是信号功率通过实际功分器后输出的功率和原输入信号相比所减小的量再减去分配损耗的实际值，（也有的地方指的是信号功率通过实际功分器后输出的功率和原输入信号相比所减小的量）。

插入损耗的取值范围一般腔体是：0.1dB以下；微带的则根据二、三、四功分器不同而不同约为：0.4~0.2dB、0.5~0.3dB、0.7~0.4dB。

插损的计算方法：通过网络分析仪可以测出输入端A到输出端B、C、D的损耗，假设3功分是5.3dB,那么，插损＝实际损耗－理论分配损耗＝5.3dB-4.8dB=0.5dB.微带功分器的插损略大于腔体功分器,一般为0.5dB左右,腔体的一般为0.1dB左右。

一种微带一分八Wilkinson功分器的设计与实现微带一分八Wilkinson功分器是一种用于将输入功率平均分配到八个输出端口的微带功分器。

本文将介绍该功分器的设计与实现。

1.设计要求设计一个工作频率为f的微带一分八Wilkinson功分器，其特点如下：-输入端口和输出端口的阻抗为Z0(通常为50Ω)。

-输入功率分配到八个输出端口时的功率分配误差不超过±0.5dB。

-高频信号的传输损耗尽量小，以确保功分器的高频性能。

2.设计步骤2.1确定微带线宽度和阻抗首先，根据设计频率f和介质常数，可以计算出微带线的宽度W和介质常数εr。

使用商用PCB设计软件，比如EAGLE或Altium Designer，可以根据W和εr计算出微带线的阻抗Z0。

2.2确定功分器的尺寸接下来，根据所选的微带线宽度W和长度L，可以计算出微带线的特性阻抗Z0。

根据Wilkinson功分器的设计原理，输入端口和输出端口的微带线长度应为L/4，耦合器的长度应为L/2、通过调整L的值，可以得到所需的阻抗Z0。

2.3设计耦合器根据Wilkinson功分器的原理，耦合器的长度应为L/2、通过调整耦合器的宽度，可以控制功分器的功分比。

通常，通过微带线的宽度Wc和长度Lc来控制耦合器的宽度。

通过调整Wc和Lc的值，可以得到所需的功分比。

2.4设计阻抗变换器为了将输入阻抗Z0变换到耦合器的阻抗Zc，需要在输入端口和耦合器之间添加一个阻抗变换器。

阻抗变换器可以由微带线和补偿电容或电感组成。

通过调整阻抗变换器的参数，可以使输入阻抗匹配到耦合器的阻抗。

2.5仿真和调整完成设计后，使用商用EM仿真软件，如Ansoft HFSS或CST Microwave Studio，对功分器进行全波仿真。

通过仿真结果，可以评估功分器的性能，并进行必要的调整，以满足设计要求。

3.实现完成设计和仿真后，可以将功分器制作成实际的PCB。

根据设计要求，选择合适的材料和加工工艺，并使用PCB加工设备制作PCB板。

目录一、课题名称2二、设计指标 (2)三、设计理论根底 (2)四、设计步骤41．设计微带分支定向耦合器的原理图42．微带线分支定向耦合器的原理图仿真 (6)3．微带分支定向耦合器幅员的生成8五、设计小结 (9)六、参考文献：9前言：定向耦合器在微波波段有着广泛的应用，其主要用途有用来监视功率、频率和频谱，把功率进展分配和合成，构成平衡混频器和测量电桥，利用定向耦合器来测量反射功率系数和功率。

本设计主要利用ADS2021软件设计微带分支定向耦合器的方法，及利用ADS设计、仿真微带分支定向耦合器，完成原理图和布局图。

关键词：定向耦合器微带分支ADS 微波耦合度基于ADS—微带分支定向耦合器的设计一、课题名称：基于ADS—微带分支定向耦合器的设计二、设计指标：本报告微带分支定向耦合器的设计指标如下。

中心频率选为2.4GHz。

● 在2.3GHz —2.5GHz 围，11S 的取值小于-36dB 。

● 在2.3GHz —2.5GHz 围，21S 的取值大于-3.0dB ● 在2.3GHz —2.5GHz 围，31S 的取值小于-36dB 。

● 在2.3GHz —2.5GHz 围，41S 的取值大于-3.0dB ● 系统的特性阻抗选为50Ω。

● 微带线基板的厚度选为0.5mm ，基板的相对介电常数选为4.2.三、 设计理论根底：在射频微波电路中，经常用到多端口网络，分支定向耦合器是最常用的多端口网络，它在电路中起到了十分重要的作用，它能够在固定的参考相位的条件下，分开和组合射频微博端口。

〔一〕、定向耦合器的根本功能和参数指标定向耦合器是一个4端口网络，它有输入端口、直通端口、耦合端口和隔离端口，分别对应图中的1、2、3、4端口1243 定向耦合器定向耦合器的主要技术指标有耦合度、隔离度、定向性、输入驻波比及工作带宽等，下面介绍上述各指标1、 耦合度耦合度C 定义为输入端口的输入功率P1和耦合端口P3之比的分贝数，耦合度C 表示为：1210lg()P C dB P = 引入网络散射参量，耦合度又可以表示为：11233113/2110lg 10lg 20lg ()/2i il U P C dB P S S U ===耦合度的分贝数越大耦合越弱，通常把耦合度为0dB~10dB 的定向耦合器称为强耦合定向耦合器，把耦合度为10dB~20dB 的定向耦合器称为中等耦合定向耦合器，把耦合度大于20dB 的定向耦合器称为弱耦合定向耦合器。