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功分器的设计基础学习知识原理

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*- 设 计 资 料 项目名称：微带功率分配器设计方法 拟 制： 审 核： 会 签： 批 准：

二00六年一月 *- 微带功率分配器设计方法 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．设计原理： 2.1分配原理： 微带线、带状线的功分器设计原理是相同的，只是带状线的采用的是对称性空气填充或介质板填充，而微带线的主要采用的是非对称性部分介质填充和部分空气填充。下面我们以一分二微带线功率分配的设计为例进行分析。传输线的结构如下图所示，它是通过阻抗变换来实现的功率的分配。

图1：一分二功分器示意图 在现有的通信系统中，终端负载均为50Ω，也就是说在分支处

的阻抗并联后到阻抗结处应为50Ω。如上图匹配网络，从输入端口看500ZZin，而50//21inininZZZ，且是等分的，所以1inZ=2inZ，①处1inZ、②处2inZ的输入阻抗应为100Ω，这样由①、②处到输出终端50Ω需要通过阻抗变换来实现匹配。 2.2阶梯阻抗变换： 在微波电路中，为了解决阻抗不同的元件、器件相互连接而又不使其各自的性能受到严重的影响，常用各种形式的阻抗变换器。其中最简单又最常用的四分之一波长传输线阶梯阻抗变换器（图2）。它的特性阻抗Z1为待匹配的阻抗。

inZ② ① R 0

Z

0Z

0Z 2inZ 1inZ *- Z2Z1

Z0

图2：λ/4阻抗变器示意图 根据特性阻抗匹配原理：LinRZZ201，其中inZ为匹配后的输入阻抗，

01Z为四分之一波长传输线特性阻抗,LR为负载阻抗，则201ZZZ，其长度L为中心频率导引波长的1/4，即L=λg/4。相当于电长度θ为θ=π/2。 这种变换器的显著特点就是简单，用任一种形式的传输线均能实现，但当频率偏离中心时，其电长度不再是π/2，变换特性也随之恶化。它对频率的敏感，使它仅适合于窄带运用。在需要宽带匹配的场合，应采用多节阶梯阻抗变换器或各种渐变线变换器。我们常用的通信频率范围较宽，所以经常采用多节来实现，下面对多节阻抗变化器进行分析。 在多节阶梯阻抗变换器中，各阻抗阶梯所产生的反射波彼此抵消，于是匹配的频带得以展宽。多节阶梯阻抗变换器中最常用的是每节长度为1/4波长变换器（图3）。

nn-121n=0

Z2Z1RZnZ0

图3：多节λ/4阻抗变器示意图 对于阻抗变化器，衡量其性能与设计所根据的指标，通常是：匹

配带宽、带内最大电压驻波比以及插入损耗等。同样，一个功分器也*- 是一个阻抗变换器，也是从这几个方面来考虑设计的。 多节阶梯阻抗变化器带内的电压驻波比响应特性常用的是最平坦响应和切比雪夫响应两种，但与带通滤波器不同的是它对带外抑制没什么要求。 参考图3，设待匹配的阻抗值为Z0和Zn+1，其设Zn+1＞Z0。为了设计计算方便，我们把阻抗值对Z0进行归一化。这样，待匹配的阻抗值就分别为1和R= Zn+1/Z0，R也称为阻抗变换比。如图1，从100Ω到50Ω的阻抗变换比R=100/50=2 。 我们知道，对于单节的1/4波长阻抗匹配，201RZZ

（Z0=R2=50Ω）所以502201RZZΩ=70.7Ω。对于多节的，计算原理同单节的，每一节的阻抗都等于前后阻抗的几何平均值，即

11nnnZZZ。 无耗传输线构成的四分之一波长阶梯阻抗变换器，一般设计的主要依据是许可的最大电压驻波比ρm，和所需的带宽Δ。 Δ=2（λg1-λg2）/（λg1+λg2）=2（f2-f1）/(f2+f1) λg1和λg2分别为实际频带的下限和上限频率的导引波长,即f1、f2分别为下限和上限频率，根据ρm和Δ可以确定所需要的节数。 进行完阻抗变换后，如果一个功分器各输出路之间没有隔离，信号就会相互干扰，无法实现功分，那么下面我们将对如何实现隔离进行分析。 2.2隔离原理： 上面运用阶梯阻抗变换器原理仅仅对功分器的传输进行了匹配，*- 而每个输出端口间并没有进行匹配，所以端口间没有隔离。为了实现隔离可以通过输出路与路间的阻抗匹配（常称为隔离电阻）达到要求，那么下面采用奇、偶模法来进行分析。

图4：激励响应示意图 如上图，当输出端加激励U时，可等效为偶模激励和奇模激励的

叠加 。

图5：偶模电压激励等效图 如图5，当偶模电压激励时，两路的相位相同，则信号沿阶梯阻

抗变换器传输，理论上隔离电阻上是没信号的，前面已经分析这个电路是完全匹配的。

图6：奇模电压激励等效图 如图6，当奇模电压激励时，两路的相位相差180度，则信号沿

隔离电阻传输，要达到匹配，则需对隔离电阻进行分析。 当节数m=1时，在分配原理中已经进行了分析，如图6，此时

0Z + V/2 -

4

1

R

02Z 0Z

+ V/2 - 开路

4

1

开路 R *- 1/4波长阻抗为100Ω，则R//100Ω= 0Z=50Ω，隔离电阻R=100Ω。 当m=2时，隔离电阻的计算公式如下：

图7：两节二功分器示意图 21221212cot2ZZZZ

ZZR

2212

212122ZZZRZZRR





1121121212ffff

.

当m≥3时，我们可以运用二端口网络进行分析，只是隔离电阻的计算相当繁琐，可以查附表Ⅱ，阻抗分别为0Z归一化值。还给出了输入和输出端口的最大电压驻波比ρ0，ρ2,ρ

3。

3.设计步骤： 功分器的设计可以分为以下几个步骤来进行。 3.1确定相对带宽：

根据频率范围，确定中心频率：2

bfa

fmf (baff,分别为下，

上限频率)，主通带的相对带宽：mabfff。 3.2确定各个端口的波纹系数： 输入端口：ρ0(max)＝设计频带内波纹大小ρ

m *- 输出端口：ρ2(max)=ρ3(max)≈1+0.2(ρm-1)

输出端口最小隔离度近似为：I(min)≈20log135.2m dB

3.3确定T型节处的阻抗变换比： 根据上面分配原理可知，对于公分器在T型节处，阻抗比为： 一分二：R=2 一分三：R=3 一分四：R=4 3.4确定1/4波长阻抗变换器的节数： 根据、ρ查表（见附录），可以确定采用四分之一波长的节数m，一般也可以根据m=f2/f1（f2为终止频率，f1为起始频率）来确定。 3.5计算每一级1/4波长的阻抗（对输入输出端驻波进行匹配）： 根据上述阶梯阻抗原理对每一级1/4波长进行匹配，确定每一级的阻抗，从而根据线路板的厚度及介电常数确定好传输线的宽度，传输线的长度是中心频率的1/4导波长。 3.6计算每一级的隔离电阻（对输出端间进行匹配）： 根据上述隔离原理可以通过阻抗变换对输出端口间进行匹配，从而使设计满足需要的隔离。 3.7插入损耗分析： 插入损耗主要指理论损耗与附加损耗，理论损耗指理论上即存在的，是不可以消除的，这从能量守恒原理可知，对于功分器理论损耗为： 理想分配损耗（dB）=10log(1/N) N为功分器路数。 设计时一定要考虑如何尽量减小由接头、线路板、电阻等引起的附加损耗，这就要求对材料进行分析，选择合适的材料也是很重要的。

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功分器设计--基本理论

功分器设计--基本理论


参考接地线
3端口 图5-36 Wilkinson功分器
微带功分器（Wilkinson功分器）设计
奇--偶模分析
它归结为两个简单电路之和，在输出端分 别用对称和反对称源来激励并进行分析。
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为简化起见，将所有阻抗对特性阻抗Z0归一化，凑成对称电路结构， 输出端具有的信号源如图 5-37。该网络相当于中间平面是对称的，归 一化值为 1 的电阻代表匹配源阻抗， 1 端源电阻为两个归一化值 2 的并 联组合，隔离电阻以两个 r/2 的串联组合。 /4 线具有的归一化特性阻 抗为z，并联电阻具有归一化值为 r。下面证明对等分功分器，这些值 应为z 2和r = 2。 现在对图5-37的电路定义两个 独立的激励模式：偶模Vg2 = Vg3 = 1V，奇偶Vg2 = –Vg3 = 1V。然后，将这两种模式相叠 加，其有效激励为Vg2 = 2V， Vg3 = 0，由此，可获得此网络 的S参数。下面我们分别讨论 这两种模式激励的情况。
微带功分器（Wilkinson功分器）设计
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（2）奇模 奇模激励时，Vg2 = –Vg3 = 1V，所以V2 = –V3， 在图5-37电路的中间有电压零点。因此，我们可以用一个接 地平面来切开此电路，给出图5-38（b）的网络。向端口2看 去的阻抗为r/2，若r/2=1,则匹配S22=0。由于平行连接传输线 长为/4，而且在端口1处短路，所以看上去在端口2为开路点， 没有功率送到端口1，S12=0。由对称性有S33=0，S13=0。
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功分器设计
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波导功分器，即T形分支(E-T、H-T) 微带功分器，即Wilkinson功分器
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波导T形分支（E-T、H-T）
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功分器工作原理(图文)

功分器工作原理(图文)

功分器工作原理(图文)
时间：2015-08-14 来源：天线设计网TAGS：功分器无源器件
随着无线通信技术的快速发展, 各种通讯系统的载波频率不断提高, 小型化低功耗的高频电子器件及电路设计使微带技术发挥了优势。

在射频电路和测量系统中, 如混频器、功率放大器电路中的功率分配与耦合元件[的性能将影响整个系统的通讯质量。

功分器工作原理
传输线结构的功率分配器[ 5] 如图1(a)所示,输入端口特性阻抗为Z0 , 两段分支微带线电长度为λ/4 , 特性阻抗分别为Z02和Z03, 终端分别接负载R2 和R3 。

首先做以下3 条假设:
(1) Port1 无反射;
(2) Port2 ，3 输出电压相等且同相;
(3) Port2 ， 3 输出功率比值为任意指定值1 /k2。

根据上面3 条可得：
由传输线理论有：
设R2 =kZ0 , 则Z02, Z03, R3 的计算公式为：
取k =1 , 即得到3 dB Wilkinson 功分器的各参数值为:R2 =R3 =Z0 , Z02=Z03= √2Z0, 为了增加隔离度在Port2 , 3 之间添加了一个电阻R =2Z0 , 其结构如图所示。

通过上述分析得到3 dB Wilkinson 功分器的所有元件的参数值, 接着就可以进行设计了。

Wilkinson 功分器的设计
Wilkinson 功分器的指标参数
描述3 dB Wilkinson 功分器的关键指标[有3 个：
由对称关系可知, 端口1 , 3 间的耦合度等于端口1 , 2间的耦合度。

在理想情况下, 中心频率处的回波损耗和隔离度应该接近负无穷大,耦合度应该尽量接近3 dB
实物展示：。

功分器工作原理

功分器工作原理

功分器工作原理
功分器，又称功率分配器或功率分配器，是一种用于将输入功率（通常是射频或微波功率）分配给多个输出端口的无源器件。

功分器工作原理主要通过设计特定的传输线结构和耦合方式来实现。

一般而言，功分器由输电线和匹配结构组成。

输电线通常是以微带线、同轴线或波导的形式存在。

当输入信号通过输电线进入功分器时，其将根据特定的设计要求，在不同的输出端口上分配相应的功率。

在功分器内部，通过设计合适的耦合结构，比如电容、电感或实现特定的电磁场耦合来实现功率的分配。

这些耦合结构可以通过设计合适的电路连接或引入衬底模式（substrate mode）
实现功率的分配。

具体来说，功分器的设计通常基于电气长度（electrical length）的原理。

电气长度是一个表示输电线上电磁波传播的概念，与物理长度不完全一致。

通过控制输电线和相应的耦合结构的长度和尺寸，可以实现不同的功率分配比例。

功分器工作原理的关键在于实现输入和输出端口之间的功率匹配。

为了确保功分器在不同端口上有相似的输出，需要通过合适的匹配电路来提供有效的匹配网络。

总之，功分器通过合理设计输电线、耦合结构和匹配网络，实现了输入功率在多个输出端口间的均匀分配。

这使得功分器成
为射频和微波系统中的重要器件，常被应用于无线通信系统、雷达系统和卫星通信等领域。

功分器设计

功分器设计

摘要摘要功率分配器简称功分器，在被用于功率分配时，一路输入信号被分成两路或多路较小的功率信号。

功率合成器与功率分配器属于互易结构，利用功率分配器与功率合成器可以进行功率合成。

功分器在相控阵雷达，大功率器件等微波射频电路中有着广泛的应用。

现在射频和微波系统的设计越来越复杂，对电路的指标要求也越来越高，电路的功能也越来越多，电路的尺寸越来越小，而设计周期越来越短，传统的设计方案已经不能满足微波电路设计的需求，使用微波软件工具进行微波系统的设计已经成为微波电路设计的必然趋势。

小型低功耗器件是射频电路设计的研究热点，而微带技术具有小型化低功耗的优点，为此我学习了功分器的基本原理，结合当下的实际情况，设计了一个Wilkinson 功分器，并使用基于矩量法的ADS 软件设计、仿真和优化计算相关数据参数，进行参数的优化，并制作了一个性能良好的Wilkinson功分器。

关键词：功分器，ADS，优化参数IABSTRACTABSTRACTPower divider is referred to as power divider, in which the input signal is divided into two (or more) smaller power signals when the power distribution is used.Power synthesizer,and a power divider is reciprocity structure, power synthesis can be carried out using the power splitter and combiner.Power divider is widely used in phased array radar,high power devices and other microwave circuits.Now the design of RF and microwave system is more and more complex, the circuit requirements are also getting higher and higher,more and more functions of the circuit，the circuit size is getting smaller and smaller and design cycle becoming shorter and shorter, the traditional design scheme has been unable to meet the demand of microwave circuit design，using microwave software tools for the design of microwave system has become the inevitable trend of the microwave circuit design.small size and low power consumption devices is the focus of the research on the RF circuit design，and microstrip technology has the advantages of miniaturization and low power consumption. Therefore,I learned the basic principle of power divider, combined with the current actual situation,the design of the a Wilkinson power divider, and use based on method of moments of the ADS software to design,simulation and optimization calculation parameters,parameter optimization, and produced a good performance of Wilkinson power divider.Key words: power divider,ADS,optimization parametersII目录目录第1章引言 (1)1.1 功分器的发展概况 (1)第2章研究理论基础 (2)2.1 功分器的理论基础 (2)2.2 功分器技术基础 (4)2.2.1 什么是功分器 (4)2.2.2 功分器的重要性 (4)2.2.3 Wilkinson功分器的优点 (4)2.3 wilkinson基本工作原理： (5)2.4 Wilkinson功率功分器的基本指标 (6)2.4.1.输入端口的回波损耗 (6)2.4.2插入损耗 (7)2.4.3输入端口间的隔离度 (7)2.4.4功分比 (7)2.4.5相位平衡度 (7)第3章ADS的介绍 (8)3.1 ADS趋势 (8)3.2线性分析 (9)3.3电磁反正分析 (10)3.4仿真向导 (10)第4章功分器的原理图设计仿真与优化 (12)4.1 等分威尔金森功分器的设计指标 (12)4.2 建立工程与设计原理图 (12)4.2.1 建立工程 (12)4.2.2 设计原理图： (13)4.2.3 基板参数设置 (16)4.2.4 基板参数输入 (18)4.2.5 插入V AR (19)I I I目录4.2.6 V AR参数设置 (19)4.2.7 V AR微带线 (19)4.3 功分器原理图优化仿真 (21)4.4 功分器优化版图生成 (24)4.5 功分器优化 (24)4.6 功分器的版图生成与仿真 (31)第5章结论 (36)参考文献 (37)致谢 (38)外文资料原文 (39)译文 (41)I V第1章引言第1章引言1.1 功分器的发展概况功率分配器是将输入信号功率分成相等或不相等的几路输出的一种多端口的微波网络，广泛应用于雷达，多路中继通信机等大功率器件等微波射频电路中。