分類號TN73UDCD10621408（2015）05440密級公開編號2011022006成都信息工程大學(xué)學(xué)位論文寬帶WILKINSON功分器的設(shè)計(jì)論文作者姓名葉建梅申請學(xué)位專業(yè)電子信息科學(xué)與技術(shù)申請學(xué)位類別工學(xué)學(xué)士指導(dǎo)教師姓名（職稱）夏運(yùn)強(qiáng)論文提交日期2015年5月22日獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得成都信息工程大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。簽名日期2015年5月29日關(guān)于論文使用授權(quán)的說明本學(xué)位論文作者完全了解成都信息工程大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)成都信息工程大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。（保密的學(xué)位論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定）簽名日期2015年5月29日I寬帶WILKINSON功分器的設(shè)計(jì)摘要在微波電路中，功分器是將一路功率按照比例分為兩路或多路分支，這種器件叫功分器。傳統(tǒng)的WILKINSON功分器帶寬很窄，常常滿足不了寬帶系統(tǒng)的應(yīng)用。為了改善上述問題，本文對寬頻帶功分器進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文首先對功分器的相關(guān)組件及工作原理進(jìn)行研究分析，介紹了寬帶功分器的奇偶模分析法；然后設(shè)計(jì)一個(gè)具有0825GHZ的寬頻帶WILKINSON功分器，該功分器要求其插損小于1DB,隔離度大于20DB,電壓駐波比（VSWR）小于15。本文著重講述了功分器設(shè)計(jì)中的參數(shù)計(jì)算和優(yōu)化過程，利用ADS軟件原理圖仿真和HFSS電磁仿真獲得調(diào)試參數(shù)，然后在CAD中制成印制板并加工成實(shí)物。從仿真結(jié)果和實(shí)物的測試結(jié)果圖表明設(shè)計(jì)出的功分器達(dá)到了指標(biāo)要求。由于課題要求的工作頻率處于ISM頻段內(nèi)，所以可用于無線局域網(wǎng)、藍(lán)牙、ZIGBEE等無線網(wǎng)絡(luò)中。關(guān)鍵詞寬帶,WILKINSON功分器,奇偶模，仿真IITHEDESIGNOFTHEBROADBANDWILKINSONPOWERDIVIDERSABSTRACTPOWERDIVIDERDIVIDEONEPOWERINTOTWOORMULTIPLEBRANCHESTRADITIONALWILKINSONPOWERDIVIDERBANDWIDTHISVERYNARROW,ANDOFTENCANNOTMEETTHEAPPLICATIONBROADBANDSYSTEMSINORDERTOIMPROVETHEABOVEPROBLEMS,THEARTICLEDESCRIBEWIDEBANDPOWERDIVIDERSDESIGNTHISARTICLEAIMSTORESEARCHANDANALYSISRELATEDCOMPONENTSANDWORKINGPRINCIPLEOFPOWERDIVIDERSITDESCRIBESTHEUSEOFODDMODEANALYSISMETHODOFAWILKINSONNWAYPOWERDIVIDERTHISWILKINSONPOWERDIVIDERSDESIGNHAVEAWIDEBANDOF0825GHZTHEPOWERDIVIDERREQUIRESITSINSERTIONLOSSLESSTHAN1DB,ISOLATIONGREATERTHAN20DBANDTHEVOLTAGESTANDINGWAVERATIOVSWRLESSTHAN15ITFOCUSESONTHEPOWERDIVIDERSDESIGNPARAMETERSCALCULATIONANDOPTIMIZATIONPROCESSTHENUSINGADSSOFTWAREPRINCIPLEANDHFSSSIMULATIONOFELECTROMAGNETICOBTAINEDDEBUGGINGPARAMETERS,FINALLYMADETHEPCBINCADANDPROCESSEDINTOAKINDINTERMSOFSOFTWARESIMULATIONRESULTSUNDERIDEALCONDITIONSONTHETESTRESULTSORPHYSICALDESIGNDIAGRAMSHOWTHEPOWERDIVIDERMETTHETARGETREQUIREMENTSSINCETHEREQUIREDOPERATINGFREQUENCYISWITHINISMBAND,ITCANBEUSEDFORWIRELESSLAN,BLUETOOTH,ZIGBEEANDOTHERWIRELESSNETWORKSKEYWORDSWIDEBAND,WILKINSONDIVIDER,ODDEVEN,SIMULATIONIII目錄第一章緒論111背景和意義112功分器的產(chǎn)生和發(fā)展213國內(nèi)外的研究進(jìn)展214本文的主要任務(wù)及結(jié)構(gòu)2第二章功分器理論421功分器的技術(shù)指標(biāo)422功率分配器的原理5221二功分器的端口示意圖5222二等分功分器5223寬頻帶等分功分器823功率分配器的分類13第三章功分器的設(shè)計(jì)與仿真1531功分器的設(shè)計(jì)要求1532功分器的設(shè)計(jì)方案1533功分器的ADS設(shè)計(jì)15331參數(shù)計(jì)算15332原理圖的繪制16333手動調(diào)諧19334仿真結(jié)果2034功分器的HFSS設(shè)計(jì)21341軟件介紹21342端口激勵(lì)和隔離電阻設(shè)置21IV343仿真及結(jié)果22第四章加工圖與測試結(jié)果2541功分器的加工圖2542測試結(jié)果及分析26第五章總結(jié)與展望3051全文總結(jié)3052前景展望30參考文獻(xiàn)31致謝321第一章緒論由于現(xiàn)代電子和通信技術(shù)的快速發(fā)展對人與人之間的信息交流起到了越來越重要的作用，所以各種電子設(shè)備也應(yīng)運(yùn)而生，電子通信設(shè)備已經(jīng)越來越多地滲透到家家戶戶，潛移默化的改變著這個(gè)世界的交流方式。在電子線路中往往既有無源器件也有有源器件，無源器件如功分器、諧振器、混頻器等微波模塊和RLC以及其匹配網(wǎng)路，它們用來實(shí)現(xiàn)信號傳輸過程中的分配、匹配、濾波等。毫不例外地，微波高頻電路也存在各種無源和有源器件，它們的功能基本相同，只是處理對象是微波信號?，F(xiàn)代無源器件中，對于微帶功分器的研究已經(jīng)越來越重要。11背景和意義本文討論的WILKINSON功分器，它屬于微帶線3DB功率分配器，輸出端口二路等分，具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，線性化好等優(yōu)點(diǎn)。小型化低功耗器件一直備受射頻電路設(shè)計(jì)的青睞，而微帶技術(shù)具有小型化低功耗的優(yōu)點(diǎn)，因此一般的功分器都用微帶電路來實(shí)現(xiàn)。在結(jié)構(gòu)上，最初采用的材料是同軸線，此后在微帶和帶狀線結(jié)構(gòu)上得到了廣泛地應(yīng)用和發(fā)展，大功率的往往采用同軸線而中小功率的常采用微帶線。功分器的所有端口在工作頻帶內(nèi)都維持匹配的條件，此外，輸出端口之間輸出電壓相等且同相，達(dá)到良好隔離作用，輸出功率比值可以為任意指定值，這使得各分支的功率分配實(shí)現(xiàn)靈活可調(diào)。功分器的應(yīng)用是可逆的，當(dāng)被使用在相反的方向時(shí)，功分器能合并來自兩路或多路功率源的功率。所以，總結(jié)WILKINSON具有一些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)如下功分器的運(yùn)用可逆，功率容量較低，可以按照實(shí)際需要確定輸出端口是否均分，不可以傳輸直流，且隔離度高。隨著微波通信的不斷發(fā)展和射頻技術(shù)、多信道傳輸?shù)牡膹V泛應(yīng)用，為了適應(yīng)分支后的信號傳輸，功率分配器獲得了越來越大的關(guān)注。我們可以常在諸如相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)、天線饋電系統(tǒng)、多路中繼通信機(jī)中看到功分器的使用，功分器還可用于數(shù)字衛(wèi)星電視接收系統(tǒng)，旨在減少數(shù)字衛(wèi)星電視接收端天線的浪費(fèi)，并且在不影響到收視質(zhì)量和效果的前提下能夠?qū)崿F(xiàn)多臺接收機(jī)多個(gè)用戶多臺電視機(jī)共用一套天線的目的，這就要求其衰減要小，才能使噪聲小，分辨率高。212功分器的產(chǎn)生和發(fā)展功率分配/合成器，即功分器，廣泛地使用在將衛(wèi)星信號分配給各個(gè)接收機(jī)的情況以及近代微波大功率固態(tài)發(fā)射源的功率放大器中。1960年，ERNESTJWILKINSON提出了WILKINSON式結(jié)構(gòu)，當(dāng)時(shí)他發(fā)表了一篇名為ANNWAYHYBIRDPOWERDIVIDER的論文，介紹了一種N路混合型功分器，從此WILKINSON功分器開始發(fā)展起來。功分器在增強(qiáng)工作頻帶的帶寬方面有一定的進(jìn)展。從功分器的頻率特性可以總結(jié)出，當(dāng)頻帶邊緣頻率之比增加時(shí)，輸入駐波比會下降，隔離度會變差。傳統(tǒng)的WILKINSON功分器帶寬很窄，常常滿足不了寬帶系統(tǒng)的應(yīng)用。傳統(tǒng)的3DB威爾金森功分器是由兩條四分之一波長的傳輸線外加隔離電阻構(gòu)成，所以為進(jìn)一步加寬工作帶寬，可以用多節(jié)的形式，即增加四分之一波長的阻抗變換線和相應(yīng)的隔離電阻R的數(shù)目。然而，由于WILKINSON功分器的尺寸與工作頻率的變化有一定的聯(lián)系，即工作頻率越低尺寸越大，不利于MMIC設(shè)計(jì)又增加了成本；隨著頻率的增大其物理尺寸雖然變小，但毫米波頻段的微帶線的不連續(xù)性影響又變得很大，這些導(dǎo)致都導(dǎo)致了功分器應(yīng)用的局限性，從WILKINSON功分器出現(xiàn)開始，許多研究者就試圖提出各種方案來綜合解決其尺寸問題，從而適應(yīng)MMIC的發(fā)展。13國內(nèi)外的研究進(jìn)展上世紀(jì)七十年代國外就已經(jīng)有了微波功分器的產(chǎn)品存在，早期的產(chǎn)品多見于威爾金森功分器，當(dāng)時(shí)的帶寬還不寬，多是窄帶應(yīng)用。四十余年的發(fā)展使得傳輸線理論不斷完善，制作工藝水品也不斷提高，功分器得到了較大的發(fā)展和突破，具體表現(xiàn)為從窄帶到寬帶、從兩路到多路、從單頻段到多頻段的提升，形成了完整的產(chǎn)品線，國外的產(chǎn)品主要以PMLSAR公司的產(chǎn)品為龍頭企業(yè)。對于國內(nèi)，關(guān)于功分器的研究還比較少，多見于軍品市場。生產(chǎn)單位主要有泰格微電子研究所和亞光廠，亞光廠的產(chǎn)品占據(jù)了國內(nèi)很大市場，國內(nèi)產(chǎn)品還應(yīng)向?qū)掝l帶、低插損、高隔離的方向發(fā)展以及解決工藝問題。14本文的主要任務(wù)及結(jié)構(gòu)本論文一共由五章構(gòu)成第一章屬于本文的緒論，主要就課題背景和研究意義進(jìn)行介紹，闡述了功分3器的產(chǎn)生和發(fā)展以及在國內(nèi)外的研究情況。第二章講了功分器的理論，主要介紹了二等分功分器參數(shù)的公式推討過程和采用N節(jié)寬頻帶功分器的奇偶模分析來解決參數(shù)計(jì)算問題。第三章是軟件仿真設(shè)計(jì)部分，主要介紹了威爾金森功分器的ADS設(shè)計(jì)和HFSS設(shè)計(jì)步驟，同時(shí)給出了設(shè)計(jì)與仿真的結(jié)果。第四章為功分器樣品的測試分析部分，給出了實(shí)物測試的曲線圖以及對結(jié)果的分析。第五章為全文作了個(gè)總結(jié)并對該課題的前景進(jìn)行了分析，通過對比其自身的優(yōu)缺點(diǎn)來揚(yáng)長補(bǔ)短，使以后的工作重心在于改善其不足之處。4第二章功分器理論21功分器的技術(shù)指標(biāo)1頻率范圍2功率容量表示功分器所能承受的最大功率，在大功率分配器/合成器中，作為核心指標(biāo)，最大功率決定了電路將采用什么種類的傳輸線。一般地，傳輸線能承受功率從大到小的順序是空氣同軸線、空氣帶狀線、同軸線、帶狀線、微帶線1。3分配損耗定義為信號功率從輸入端分配到輸出端的傳輸損耗，即輸入端輸入的信號功率與傳送到輸出端的信號功率之比，表示為DBPPAOUTINDLG1021對于等分功分器來說，由于KPPOUTIN/，OUTINKPP，K為功分器輸出端的個(gè)數(shù)，所以KDBADLG10。分配損耗并不是真的損耗，只是由于功率分配造成的。對于常用的功分器分配損耗根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值得來，比如，二等分功分器的分配損耗為3DB,四等分的分配損耗為6DB。4插入損耗是由于微帶線的介質(zhì)或?qū)w不理想或者是輸入端的反射所帶來的損耗。定義公式為DIAAA，IA代表插入損耗，A描述的是實(shí)測損耗，A的計(jì)算表達(dá)式為1DBPPAOUTIN實(shí)測LG1022）5電壓駐波比（VSWR）每個(gè)端口的電壓駐波比一般越小越好，其反映了各個(gè)端口的匹配特性的好壞。6隔離度輸出端口間的信號要求互不干擾，這需要支路間擁有比較大的隔離度。功分器在設(shè)計(jì)時(shí)隔離度一般越大效果越好。在個(gè)端口都接匹配負(fù)載的情況下，OUTJINIIJPPALG10（23）7幅度平衡和相位平衡幅度平衡是指頻帶內(nèi)所有輸出端口之間的幅度誤差最大值；相位平衡指頻帶內(nèi)所有輸出端口之間相對于輸入端口信號信號相移量的起伏程度1。522功率分配器的原理221二功分器的端口示意圖功分器2P23P31P1圖21功分器端口結(jié)構(gòu)圖21表明了二功分器是三端口網(wǎng)絡(luò)，它的作用是將一路功率按照一定的比例分成兩路或多路的分支。輸入端為1P,其他兩個(gè)輸出端分別為2P、3P。據(jù)能量守恒定律可知321PPP,當(dāng)21PP時(shí)為二路等分功分器，當(dāng)KPP21/時(shí)為不等分功分器。222二等分功分器圖22二等分功分器如圖22所示是一個(gè)二等分功分器，它的輸入端和輸出端的特性阻抗為0Z,1到2端口、1到3端口的微帶分支線的特性阻抗都為1Z，線長為4/G，跨接在A、B端口的電阻作為隔離電阻的作用存在。為了方便分析，圖22的等效電路如圖23所示。3R端口3端口2U24Z03Z02端口1Z0ZIN2ZIN3U32R圖23二等分功分器的等效分析電路6假設(shè)端口（1）為輸入端，功率大小為1P,其他兩個(gè)輸出端分別為為2P、3P，那么有DBDBMPDBMPDBMPIN332。本文設(shè)計(jì)的WILKINSON功分器作為微帶線3DB等分功分器，它的基本要求為1、輸入端口1無反射。2、兩輸出端口2、3口輸出的電壓相等且同相。3、輸出端口2、3口輸出的功率比值可以為任意值，設(shè)為2/1K2。綜上三個(gè)基本要求可得23232223203212/2Z1Z1Z1KRURUUUININ（24）由阻抗變換理論有3203322022RZZRZZININ（25）設(shè)02KZR，由（24）（25）式可知KZR/03。且由上面兩式可算出參數(shù)的值為320032002/11ZZKKZZKK（26）從圖可以看出，圖形是對稱的，所以0302ZZ2。關(guān)于隔離電阻R的計(jì)算表達(dá)式假設(shè)端口1為輸入端口，信號從端口1進(jìn)入，由于端口1到端口2和到端口3的長度都為四分之一波長且特性阻抗都為1Z，所以電流到達(dá)A、B位置時(shí)的電壓等幅同相，電阻R上沒有電流流過，不干擾電路輸出；然而當(dāng)端口2作為輸入端口輸入信號時(shí)，由于電流從AB和A0B兩路到達(dá)B點(diǎn)時(shí)，電壓大小相等而相位相差二分之一波長，所以電阻R上電壓由于反相抵消，所以也不影響3端口的輸出，但R的位置和取值必須有考究。隔離電阻的計(jì)算公式推討如下為了便于分析當(dāng)2端口（A口）有信號輸入時(shí)的作用，將上述二等分功分器的電路改成如圖24所示。由圖可知，在A口接入一電源，端阻抗保持不變?yōu)?Z，而原輸入端口（0口）電源短接而接以阻抗0Z，這實(shí)際上是一個(gè)二口（四端）網(wǎng)絡(luò)。R起電路分流作用，故用導(dǎo)納矩陣Y來進(jìn)行分析。由于電路并聯(lián)，所以該網(wǎng)絡(luò)的總導(dǎo)納矩陣等于電阻R的矩陣RY加上T型網(wǎng)絡(luò)矩陣TY，T型網(wǎng)絡(luò)矩陣由兩段4/G7的微帶線、中間并聯(lián)一個(gè)阻抗0Z的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成3。4G4GI（）（）UZROZZBAIZUZ圖24求隔離電阻時(shí)的等效電路22211211YYYYYYYTR（27）21222112112121UUYYYYUUYII（28）輸入端口（A口）及輸出端口（B口）之間的聯(lián)系元素是2112YY及。若希望A口和B口之間得到隔離，則必須使0212121TRYYY（29）一個(gè)串聯(lián)電阻R的歸一化Y矩陣為3RRRRZYR11110（210）故RZYR021（211）對于T網(wǎng)絡(luò)，由于計(jì)算比較復(fù)雜，推討這里不詳細(xì)給出，只給出結(jié)果210211ZZBYT212所以0210021ZZRZY213最后得出R的計(jì)算公式8020021222ZZZZR（214）通常情況下，500Z，K1,所以R100。理論證明一個(gè)無損的三口網(wǎng)絡(luò)，不能同時(shí)到達(dá)匹配和隔離。如果R是電抗不能滿足相應(yīng)的推討關(guān)系式，只有R成為電阻，即網(wǎng)絡(luò)有損耗時(shí)，能同時(shí)滿足匹配和隔離關(guān)系。注意分功率器兩分支臂之間的距離不宜過大，一般取（23）個(gè)帶條寬度即可4。這樣做的目的在于能夠減少隔離電阻的寄生效應(yīng)，從而使匹配性能和隔離度變糟糕。要是指標(biāo)不滿足可以通過變動電阻焊接的位置來進(jìn)行調(diào)試以得到改善。另外，功分器的設(shè)計(jì)需要在支路口匹配的的前提下進(jìn)行的，如果端口不匹配，必須增加匹配電路。這一點(diǎn)很重要，直接影響功分器的設(shè)計(jì)效果。223寬頻帶等分功分器1RNZ2R1Z2Z3R1Z2ZNRNZAN節(jié)寬頻帶分功率器B偶模饋電U0U01RNZ2R1Z2Z3R1Z2ZNRNZ9圖25N節(jié)二等分功分器奇偶模饋電U0U01RNZ2R1Z2Z3R1Z2ZNRNZC奇模饋電圖25A是兩路N節(jié)寬帶等分功分器的結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可知，多節(jié)寬帶功分器采用了多節(jié)阻抗變換器級聯(lián)的形式，每節(jié)微帶線的特性阻抗分別為NZ2Z,1Z,電阻NR2R,1R分別為每一節(jié)的隔離電阻。功率分配器有一定的頻率特性，對于傳統(tǒng)的功分器，當(dāng)頻帶邊緣頻率之比增加時(shí)，輸入駐波比下降，隔離度也變差，單節(jié)的等分功分器各個(gè)性能指標(biāo)有時(shí)候達(dá)不到指標(biāo)要求。常用的方法是采用多節(jié)的阻抗變換線（4/G線段）和隔離電阻級聯(lián)來加寬工作頻寬。實(shí)驗(yàn)表明，即便級聯(lián)的節(jié)數(shù)不多，在更大的工作頻帶范圍內(nèi)各個(gè)指標(biāo)也會有較大改善，下面就N1，N2，N3的二等分功分器的頻帶特性曲線加以分析。圖26單節(jié)二等分功分器的頻帶特性對單節(jié)二等分分功率器，其頻帶特性如圖26所示。由圖可以看出，當(dāng)441/12FF時(shí)，輸入駐波比221，隔離度也可大于20DB。但是當(dāng)2/12FF時(shí)，輸入駐波比在增大，隔離度減小到146DB3。眾所周知，輸入駐波比值越小越好，駐波比隔離度DB10而隔離度值越大越好。可以看出，當(dāng)節(jié)數(shù)相等時(shí)頻帶邊緣之比越大，指標(biāo)會下降，包括最大輸入駐波比和輸出端最小隔離度會變差。圖272/12FF,N2的二等分功分器頻率特性曲線對兩節(jié)二等分分功率器，其頻帶特性如圖27所示。對于兩節(jié)（N2）二等分功分器，當(dāng)2/12FF，1臂的最大輸入駐波比1061，2、3臂的最小隔離度等于273DB。與單節(jié)的二等分功分器的頻帶特性相比，同樣取2/12FF的情況，但兩節(jié)功分器的指標(biāo)比單節(jié)的更好。這表示當(dāng)頻帶寬度相同時(shí)，節(jié)數(shù)N越大，輸入駐波比和隔離度越來越好。圖28F1/F23,N3的等分功分器頻率特性曲線對三節(jié)（N3）二等分功分器，當(dāng)2/12FF，1臂的最大輸入駐波比0291。2、3臂的最小隔離度等于387DB。但是當(dāng)3/12FF，1臂的最大輸入駐波比1051，2、3臂的最小隔離度等于279DB。這再次證明了上面的推論。隔離度DB駐波比駐波比隔離度DB11表21多節(jié)二等分分功率器的數(shù)據(jù)表格節(jié)數(shù)N223347頻帶寬度12/FF15202030401001臂最大駐波比1036110610291105110012062、3臂最大駐波比1007102110151038103910982、3臂最小隔離度（DB3662733872792681941Z歸一化值）1199812197111241149711157112742Z1667016398141421414212957120513Z179791739615435130174153646Z165977Z177401R電阻歸一化值）53163482041000008000096432884942R18643196023746042292583261232293R190482143634524892464R20633639805R435166R259247R49652通過大量的理論與實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出了一個(gè)關(guān)于多節(jié)二等分分功率器的數(shù)據(jù)表格，如表21所示。這里研究的寬頻帶功分器雖然增加了級數(shù)，但由于還是等分均勻的，所以電路的上部和下部結(jié)構(gòu)的電路參數(shù)對應(yīng)保持一致，很適合用奇偶模分析法對它進(jìn)行闡述。圖25A和25B分別為偶模饋電和奇模饋電的等效電路結(jié)構(gòu)示意圖。A偶模饋電在2、3端口處加上等幅同相的電壓0U，由對稱性可知，電路上下部相對應(yīng)位置的電位等幅同相，由于隔離電阻R上沒有電流流過，不影響電路輸出，因此可以把電路分成上下兩部分，它的等效電路如圖29所示。12EP（2）（3）（1）Z2Z0ZZNZ圖29偶模阻抗等效電路1/2）由于端口（1）的負(fù)載可以看成上部電路與下部電路在分叉處并聯(lián)之后的結(jié)果，所以分開之后0Z02Z。B奇模饋電在2、3端口接上等幅反相電壓，即032VVUGG，由于是等幅反相，隔離電阻兩端存在02U的電位差，所以有電流存在，并且隔離電阻中間點(diǎn)存在電壓零點(diǎn)，因此可以用一個(gè)接地平面使其形成上下兩部分電路3，隔離電阻相當(dāng)于上部和下部電路的串聯(lián)，所以分開后的隔離電阻變?yōu)樵娐返囊话?，?/IR，分開后的等效電路如圖210所示。0P21RZ222R23R2NRZ0Z1NZ圖210奇模阻抗等效電路（1/2）通過奇偶模分析法，一個(gè)三口網(wǎng)絡(luò)被分成了兩個(gè)兩口奇偶模網(wǎng)絡(luò)。將圖210所示的奇偶模阻抗等效電路（二分之一）歸一化之后，再按照一般習(xí)慣將輸入口轉(zhuǎn)到左邊，并將阻抗參量轉(zhuǎn)換成導(dǎo)納參量3，如圖211所示。（2）（3）NG212NG22G12G（1）50LGNY1NY10Y（2）（3）（1）1YC偶模相對導(dǎo)納等效電LGNY1NY10Y1YD奇模相對導(dǎo)納等效電圖211奇偶模等效電路記圖25（A）中輸入輸出端口的反射系數(shù)分別為1、2、3，奇偶模等效電路輸13入口的反射系數(shù)分別為E、0，從以上分析可以看出奇模饋電對原始電路的輸入反射系數(shù)無影響，所以E1（215）偶模等效電路實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)4/G階梯阻抗變換器，兩端的歸一化阻抗值分別為2和1，故可以由阻抗變換器理論求出各段傳輸線的特性阻抗，令E1在頻帶內(nèi)滿足CHEBYSHEV等起伏特性，各段特性導(dǎo)納值可以由查表得出。對偶模等效電路，根據(jù)能量守恒定律可推論出）（0221E（216）上下部對稱性可得32（217）由（215）（216）（217）方程式可知如果頻帶內(nèi)E及0已給出，其他各個(gè)參數(shù)也可以相應(yīng)被求出。有了奇偶模等效電路后，可以根據(jù)頻帶邊緣之比、插入損耗、隔離度、電壓駐波比等設(shè)計(jì)指標(biāo)要求計(jì)算出需要多少節(jié)阻抗變換線（N）以及每段傳輸線的特性阻抗和隔離電阻的數(shù)值。23功率分配器的分類1按照結(jié)構(gòu)分類分為有源和無源兩種，有源功分器的特點(diǎn)是由放大器組成，主要優(yōu)點(diǎn)是有增益，有較高的隔離度；缺點(diǎn)是有噪聲，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，工作穩(wěn)定性相對較差4。無源功分器的特點(diǎn)是由微帶線構(gòu)成，主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，工作穩(wěn)定，無噪聲；缺點(diǎn)是接入損耗比較大4。2按照電路材料的使用情況可分為集總參數(shù)功分器如下面的T型Y型功率分配器和分布參數(shù)功分器如WILKINSON功分器，以下是關(guān)于它們的一些類別介紹。AT型（Y型）功分器是三端口網(wǎng)絡(luò)，具有功率分配或功率組合的作用。它可以用任意傳輸線制作，分為無耗和有耗類型，理想的功率分配器是不存在傳輸損耗的，但也不能在全部端口同時(shí)達(dá)到匹配。但電阻性功分器例外，它是有耗的。電阻式電路是由電阻構(gòu)成的。Z0是電路特性阻抗。這種電路的優(yōu)點(diǎn)是頻寬大，布線面積小，設(shè)計(jì)簡單；缺點(diǎn)是功率衰減較大（6DB）。B電感電容式集總參數(shù)比例功率分配器14LC式電路由電感和電容元件搭建而成,設(shè)Z0為特性阻抗，可分成低通型和高通型，分別如圖212A和212B所示5。1P1CPZ0LSLSCP2P23P31P1LPZ0CSCSLP2P23P3AB圖212LC式集總參數(shù)功分器CWILKINSON功率分配器與其他功分器相比，WILKINSON功分器做到輸出端口都匹配且無耗,它只是耗散了反射功率。WILKINSON分配器的S參量確定如下5011S（端口1，1INZ）21803322SS（端口2和3匹配）2192/22112112JVVVVSSOEOE（互易）2202/3113JSS（對稱）22103223SS（222）3根據(jù)輸出端口數(shù)一般比較常見的功分器是二路功率分配器。15第三章功分器的設(shè)計(jì)與仿真31功分器的設(shè)計(jì)要求工作頻帶0825GHZ插入損耗20DB電壓駐波比（VSWR）15電阻0603封裝接頭SMA32功分器的設(shè)計(jì)方案先確定功分器每節(jié)微帶線的特性阻抗和隔離電阻值，然后計(jì)算微帶線的尺寸包括其長寬。ADS繪制原理圖，搭接各個(gè)微帶線元件，注意微帶T型結(jié)的方向和弧形微帶的選取，對繪制好的原理圖仿真優(yōu)化（自動優(yōu)化和手動調(diào)諧）得到滿足指標(biāo)的參數(shù)，并盡可能使其達(dá)到最優(yōu)。用ADS優(yōu)化后的參數(shù)在HFSS中進(jìn)行建模仿真優(yōu)化以滿足項(xiàng)目指標(biāo)。最后進(jìn)行CAD制版圖，并最終加工成實(shí)物，焊接隔離電阻調(diào)試以達(dá)到效果。33功分器的ADS設(shè)計(jì)331參數(shù)計(jì)算1節(jié)數(shù)N的確定由于工作頻帶在0825GHZ,上邊頻522FGHZ與下邊頻801FGHZ的比值約為3倍頻，即3/12FF，通過上圖可知N3。2每節(jié)微帶線特性阻抗和隔離電阻值的計(jì)算由表21和圖25（A）的N節(jié)寬帶功分器的電路圖可知，每節(jié)的歸一化特性阻抗值為14971,4142173961123ZZZ，由于實(shí)際的功分器終端負(fù)載往往是特性阻抗為50Z0的傳輸線，所以實(shí)際的特性阻抗為89589Z3，7170Z2，48557Z1。同理可得，歸一化隔離電阻143623R，229242R，000081R，隔離電阻值為400,210,100123RRR。3每節(jié)微帶線長寬計(jì)算利用ADS的LINECALC功能，采用FR4做基板材料，基片厚度H08MM,中16心頻率FREQ165GHZ，封裝高度HU10MM,0Z為每節(jié)的特性阻抗，E_EFF為每節(jié)的電長度90度，正切損耗角TAND001，輸入要求的參數(shù)計(jì)算，具體設(shè)置如圖31所示。經(jīng)過計(jì)算之后每節(jié)微帶線的長度和寬度如表31所示。表31參數(shù)計(jì)算數(shù)據(jù)圖31微帶線計(jì)算工具窗口332原理圖的繪制本設(shè)計(jì)中只有隔離電阻R為集總參數(shù)元件，其他元件都為微帶線的形式。并且由于電路等分均勻，所以上部和下部電路是對稱的。微帶線的不均勻性要求合適的選擇元件如微帶T型接頭、弧形微帶的種類等。以下是一些ADS設(shè)計(jì)的重要步驟。該電路仿真軟件用的是AGILENT公司的ADS2011。1設(shè)置微帶電路的基本參數(shù)MSUB，如圖32所示是關(guān)于介質(zhì)基片的相關(guān)參數(shù)值設(shè)置。阻抗尺寸微帶線長度L微帶線寬度W備注Z0502505915081003R2102R4001RZ35748525331911806Z2707125750907857Z189895262340446172功分器的原理圖圖33為設(shè)計(jì)的寬帶WILKINSON功分器的原理圖，由圖可知，該功分器由三節(jié)阻抗變換器和隔離電阻的級聯(lián)構(gòu)成。圖33原理圖3S參數(shù)仿真電路設(shè)置S參數(shù)可以表征帶內(nèi)插損、隔離度、電壓駐波比等性能指標(biāo)的值，所以電路優(yōu)化的目標(biāo)也是S參數(shù)。S23反映輸出端口間的隔離度大小，S11代表輸入端口的回波損耗，S22，S33代表兩輸出端的回波損耗，而回波損耗跟電壓駐波比有一定的對應(yīng)關(guān)系，所以它們是可以互相轉(zhuǎn)換的。4添加變量由上面參數(shù)計(jì)算可知，本文設(shè)計(jì)的功分器是三階的，為了使后期方便調(diào)試電路，這里需要將微帶線每一節(jié)的長寬以及隔離電阻值設(shè)置成變量，變量的初始值為前面參數(shù)計(jì)算和查表所得的理論值如表31所示，注意，原理圖中每一圖32MSUB設(shè)置H基板厚度08MMER基板材料的相對介電常數(shù)44MUR磁導(dǎo)率1COND金屬電導(dǎo)率588E7HU封裝高度10MMT金屬層厚度0018MMTAND損耗角正切002ROUGH表面粗糙度0MM18級微帶線元件的總長度之和等于由ADS的LINECALC插件計(jì)算得來的L值。變量的設(shè)置如圖35所示。圖34優(yōu)化變量的設(shè)置圖35變量設(shè)置窗口從圖34可以看出，本文設(shè)置了11個(gè)變量，R1,R2,R3為三個(gè)隔離電阻值；L1,L2,L3分別為微帶線在X軸方向上的長度；W1,W2,W3分別為微帶線第一節(jié)第二節(jié)第三節(jié)的寬度；L0為功分器終端結(jié)尾的長度，W0為功分器始端（等于尾端）的寬度。VARIABLEVALUE里填的是變量的初始值，括號里的T表示該變量設(shè)置為手動調(diào)諧的變量，O表示變量為自動優(yōu)化變量。一般情況下，手動調(diào)諧和自動優(yōu)化變量不同時(shí)打開（ENABLED）。5優(yōu)化變量的設(shè)置這里添加了四個(gè)優(yōu)化變量，分別為S11輸入端回波損耗），S12（輸入輸出端插入損耗），S22（輸出端回波損耗），S23（輸出端隔離度），具體設(shè)置如圖3619所示。圖36優(yōu)化目標(biāo)的設(shè)置333手動調(diào)諧圖37手動調(diào)諧窗口選擇調(diào)諧變量，調(diào)諧電路元件參數(shù)，可以直觀及時(shí)的看到每個(gè)變量的數(shù)值變化對技術(shù)指標(biāo)的影響，實(shí)驗(yàn)顯示一般隔離電阻的阻值和微帶線的長度分配對隔離度的影響比較大，微帶線的寬度影響特性阻抗，在調(diào)試時(shí)可以根據(jù)每個(gè)變量在增大和減小時(shí)性能指標(biāo)的變化趨勢來使結(jié)果逐漸地達(dá)到優(yōu)化的目的，但手動調(diào)諧很難達(dá)到最優(yōu)，圖37是手動調(diào)諧的設(shè)置窗口。20334仿真結(jié)果圖38輸入輸出電壓駐波比如圖38所示，這三條曲線中輸入電壓駐波比（VSWR1）在工作頻帶08GHZ25GHZ內(nèi)它的最大值約為12，最小值約為10,滿足指標(biāo)要求的小于15；兩條輸出電壓駐波比（VSWR2、VSWR3）曲線重合，毫無疑問地，兩輸出端口的電壓駐波比也遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)標(biāo)。圖39隔離度21圖310插入損耗從圖38、39、310特性曲線可以看出，各個(gè)仿真之后的指標(biāo)數(shù)值范圍都在課題設(shè)計(jì)要求范圍之內(nèi)，具體做到的數(shù)據(jù)記錄如下插入損耗08DB隔離度范圍22463,50；輸入電壓駐波比VSWR11011,1202。將上面的數(shù)據(jù)做成一個(gè)表格更加直觀，如表32所示。表32電路仿真分析結(jié)果34功分器的HFSS設(shè)計(jì)341軟件介紹HFSS是高頻結(jié)構(gòu)仿真器（HIGHFREQUENCYSTRUCTURESIMULATOR的縮寫。ANSOFTHFSS是美國ANSOFT公司開發(fā)的一款三維電磁場仿真軟件。WINDOWS用戶界面對任意無源三維器件的電磁場仿真進(jìn)行操作，直觀易學(xué)，具有立體建模、仿真分析、自動優(yōu)化和手動調(diào)諧等功能,使得三維電磁設(shè)計(jì)解決起來快速且準(zhǔn)確6。利用HFSS進(jìn)行WILKINSON功分器的電磁場仿真比ADS進(jìn)行的電路仿真結(jié)果更加接近于實(shí)際值，因?yàn)殡娐贩抡娌荒苣M實(shí)測環(huán)境的影響。我們可以利用ADS軟件優(yōu)化的結(jié)果作為HFSS優(yōu)化變量的初始值，這樣能夠更加快速地趨于最優(yōu)化。ADS仿真，工作頻帶0825GHZ設(shè)計(jì)指標(biāo)VSWR1VSWR2VSWR3S21S23帶內(nèi)最差情況120210671067377422463總結(jié)帶內(nèi)最差情況滿足指標(biāo)，所以ADS仿真結(jié)果達(dá)標(biāo)22342端口激勵(lì)和隔離電阻設(shè)置下面就建模過程中說明重難點(diǎn)的設(shè)置。1當(dāng)功分器的大致模型建好以后，需要對三個(gè)端口設(shè)置端口激勵(lì)，本文選擇的是模式驅(qū)動下的波端口激勵(lì)，只要是波端口屬于外部端口，端口是理想匹配負(fù)載。具體如圖312所示，用于設(shè)置端口激勵(lì)的矩形不宜過小，因?yàn)橐紤]到微帶線邊緣的電磁場輻射情況7。2設(shè)置集總RLC邊界來模擬兩路輸出微帶線之間的隔離電阻，本文采用0603封裝的電阻，作為邊界條件的載體，繪制的矩形平面的長度為15MM，寬度為07MM。設(shè)置時(shí)注意點(diǎn)擊NEWLINE命令進(jìn)入定義電流方向矢量狀態(tài)，圖313是設(shè)置好的圖樣。圖313隔離電阻模型圖311電磁場端口輻射情況圖312波端口設(shè)置23343仿真及結(jié)果圖314整體結(jié)構(gòu)圖圖315插入損耗圖316隔離度24圖316是隔離度的電磁仿真特性曲線，從圖中我們可以看出隔離度在0825GHZ內(nèi)在460585,202287范圍，具有良好的性能指標(biāo)，但是在25GHZ這個(gè)帶內(nèi)最高頻率點(diǎn)上約為20DB,這表示做成實(shí)物之后當(dāng)曲線向低頻漂移時(shí)，可能造成25GHZ附近隔離度不滿足的情況。圖317電壓駐波比圖317是輸入輸出電壓駐波比的特性曲線，從圖317中可以看出，在800MHZ25GHZ范圍內(nèi)，指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，只是輸入電壓駐波比在25GHZ附近稍微有點(diǎn)大，但也能很好的滿足要求。表33電磁仿真分析結(jié)果由這幾個(gè)仿真曲線結(jié)果，我們可以總結(jié)出表33所示的數(shù)據(jù)，由數(shù)據(jù)可知，帶內(nèi)最差情況滿足指標(biāo)，所以HFSS仿真結(jié)果達(dá)標(biāo)。相比于ADS良好的仿真結(jié)果，將優(yōu)化的數(shù)據(jù)代入HFSS之后仿真并沒有取得良好的結(jié)果。由于優(yōu)化變量太多，自動優(yōu)化會花費(fèi)大量的時(shí)間都得不到理想的優(yōu)化結(jié)果，所以本文經(jīng)過手動調(diào)諧來完成優(yōu)化的，只是最后結(jié)果并不是最優(yōu)化的，指標(biāo)也是勉強(qiáng)能夠滿足，所以本仿真還有優(yōu)化空間。HFSS仿真，工作頻帶0825GHZ設(shè)計(jì)指標(biāo)VSWR1VSWR2VSWR3S21S23帶內(nèi)最差情況121411931202370020229總結(jié)帶內(nèi)最差情況滿足指標(biāo)，所以HFSS仿真結(jié)果達(dá)標(biāo)25第四章功分器的加工圖與測試結(jié)果41功分器的加工圖采用AUTOCAD繪制功分器的加工圖，這里介紹個(gè)比較簡便的方法，即在HFSS中得到滿足指標(biāo)的仿真模型之后導(dǎo)出HFSSEXPORT）以SAT為擴(kuò)展名的ACID文件并存儲，最后打開CAD插入ACID文件，在CAD得到的加工圖初稿如圖41所示。圖41功分器的加工初稿在每個(gè)端口兩端過孔接地并加以圖形填充，最后的加工版圖如圖42所示。圖42功分器的加工圖填充之后在加工版圖附近寫上技術(shù)支持1、采用FR4板材，厚度08MM,介電常數(shù)44，銅箔厚度0018MM。262、表面噴錫處理，不阻焊不絲印。3、金屬化過孔。4、加工精度001MM。5、外形公差01MM。6、數(shù)量2片圖43是加工成的實(shí)物圖，實(shí)物的尺寸為MM803840，焊接的隔離電阻值分別為1101R，2202R，3903R的標(biāo)稱值。圖43實(shí)物圖42測試結(jié)果及分析在各個(gè)端口連接SMA接頭，利用ROHDESCHWARZ公司型號為ZVB20的網(wǎng)絡(luò)分析儀對樣品進(jìn)行測量，測量之前對儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，測試連接如圖44所示，測試結(jié)果如圖45所示。由于網(wǎng)絡(luò)分析儀只有兩個(gè)端口，所以在測量性能指標(biāo)的時(shí)候必須在其中一個(gè)端口接匹配負(fù)載，圖44是將樣品的第三端口接匹配負(fù)載測試得來的，所以圖45中的S11表示輸入端口的電壓駐波比，其測試最大值約為137，符合設(shè)計(jì)要求給的VSWR15的要求；S22表示輸出端口的電壓駐波比，其測試最大值約為122，同樣滿足要求；S21表示一端口到二端口的插入損耗，從測試結(jié)果上的MARKER來看，最大值為3327DB,最小值為385DB，達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)中帶內(nèi)插入損耗大于4DB的要求。綜上所述，這三個(gè)指標(biāo)是達(dá)標(biāo)的。圖46是一端口到三端口的指標(biāo)的特性曲線，對比可以看出兩對稱電路的一致性還是很好的。27圖44實(shí)物連接圖圖45端口1到端口2的插損、電壓駐波比28圖46端口1到端口3的插損、電壓駐波比圖47實(shí)測隔離度特性曲線圖47中S21是2、3端口的隔離度，測量時(shí)需要使端口1完全匹配，所以要接上匹配負(fù)載。由圖可知，在頻帶的后一小部分即2GHZ25GHZ內(nèi)，隔離度越來越背離20DB,未達(dá)標(biāo)。這也與上面關(guān)于HFSS對隔離度的仿真曲線的預(yù)想結(jié)果一致。但是造成后一小段高頻部分未達(dá)標(biāo)的可能原因另有以下幾點(diǎn)1功分器的測量未在腔體內(nèi)進(jìn)行，而功分器在接通時(shí)會向外輻射能量，對測試結(jié)果有影響。2可能是焊接時(shí)電阻未在最合適的位置，造成測試結(jié)果不準(zhǔn)。3電阻都是采用的標(biāo)稱值電阻，29與達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)時(shí)的電阻值有差異。4接頭的接地未處理好。5電路在優(yōu)化時(shí)并未達(dá)到最優(yōu)。為了解決實(shí)物測試時(shí)隔離度高頻段不達(dá)標(biāo)的差異，后