不等分微带功分器设计说明.docx
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不等分微带功分器设计说明
本科毕业设计
（2011届）
题目
不等分微带功分器设计
学院
电子信息学院
专业
电子科学与技术
班级
学号
学生
指导教师
完成日期
2011年3月
诚信承诺
我谨在此承诺：
本人所写的毕业论文《不等分微带功分器设计》均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉与其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。
承诺人（签名）：
年月日
摘要
在无线通讯射频电路中经常会遇到要求射频功率不平衡分配的情况，因此不等分功分器在实际射频电路中有着重要的应用价值。
微带线具有体积小、易加工、易集成等优点，而被广泛应用于射频微波集成电路中。
因此本毕业设计主要是针对微带线型不等分功分器的研究而展开的。
不等分微带功分器相对于等分微带功分器而言，设计难度要更为复杂一点，需要考虑的影响因素要更多一些。
本次设计中，通过对Wilkinson微带功分器的研究，提出了不等分微带功分器的设计理论。
在此理论基础上，利用AdvanceDesignSystem射频微波电路仿真软件，设计了两款一分二不等分的微带型功率分配器（功分比例分别为1:
2，3:
4）。
实验和仿真结果一致，并满足设计指标要求，从而论证了不等分微带型功率分配器设计理论的正确性。
关键词：
不等分；微带；功分器；ADS软件；射频
ABSTRACT
RFcircuitsinwirelesscommunicationsrequirementsoftenencounteredinthepowerimbalanceinthedistributionofradiofrequency,rangingfromsub-splitterssotheactualRFcircuithasimportantapplicationvalue.Microstriplineissmall,easyprocessing,easyintegration,etc.,whicharewidelyusedinmicrowaveintegratedcircuitsinRF.Therefore,thisgraduationdesignmainlyformicrostriplinepowersplittersub-rangingresearchundertaken.Rangingfromsub-microstrippowerdividerrelativetotheattainmentofmicrostrippowerdivider,thedesignisdifficulttobemorecomplex,factorstobeconsideredtobemoreofthem.Thedesign,bymicrostripWilkinsonpowerdividerontheresearch,proposedrangingfromsub-microstrippowersplitterdesigntheory.Basedonthistheory,theuseofAdvanceDesignSystemRFandmicrowavecircuitsimulationsoftware,designedtwopointsofasub-secondrangeMicrostrippowersplitter（powerdividerratiowas1:
2,3:
4）.Experimentalandsimulationresultsareconsistentandmeetthedesignrequirements,whichdemonstratestherangeMicrostrippowersplittersub-designtheoryiscorrect.
Keywords:
unequal;microstrip;powerdivider;advancedesignsystemsoftware;RF
1引言-------------------------------------------------------------------------------------------1
2概述--------------------------------------------------------------------------------4
2.1不等分功分器中的微带线-------------------------------------------------------4
2.1.1微带线的定义----------------------------------------------------------------------4
2.1.2微带线的结构----------------------------------------------------------------------4
2.1.3微带线计算-------------------------------------------------------------------------5
2.1.5微带线常用材料-------------------------------------------------------------------6
2.2功分器------------------------------------------------------------------7
2.2.1功率分配器定义-------------------------------------------------------------------7
2.2.2功率分配器的工作原理----------------------------------------------------------8
2.2.3微带线功率分配器----------------------------------------------------------------9
3总体设计---------------------------------------------------------------------------------12
4软件设计--------------------------------------------------------------------------------13
4.1ADS软件--------------------------------------------------------------------13
4.1.1ADS软件介绍---------------------------------------------------------------------13
4.1.2ADS仿真分析---------------------------------------------------------------------13
4.2总体方案-----------------------------------------------------------------------------15
4.3程序流程--------------------------------------------------------------------------16
5制作与调试--------------------------------------------------------------------------------27
5.1硬件电路--------------------------------------------------------------------------27
5.2调试--------------------------------------------------------------------------------27
结论----------------------------------------------------------------------------------------------31
致----------------------------------------------------------------------------------------------32
参考文献----------------------------------------------------------------------------------------33
1引言
功分器是将输入信号功分器分成相等或者不相等的几路功率输出的一种多端口网络，广泛应用于雷达系统与天线的馈电系统中。
不等分功分器按照其功率分配比有相应的设计公式可较为容易地实现[1]。
然而近几年来随着我国国民经济和科学技术的快速发展，我国的无线通信技术也得到了飞速的发展。
虽然我国已经提出了具有自主知识产权的3G标准TD-SCDMA，移动运营商业正在快速的筹建TD-SCDMA网络，但是由于某些技术问题，致使我国在迈向真正的3G时代，要走的路还很长；在迈向我们的通信行业成为引领世界通信行业的巨头的时代，还会更长。
通信行业是一个快速发展的行业，一个国家这个行业发展的好坏，就看这个国家拥有多少通信人才和人才的能力水平[2]。
于是人们认识到了，在移动通信或电视发射系统中，不等分功率分配器有着重要的应用价值。
在许多场合，要求在水平面的辐射场是非轴对称的。
例如，对山区和海上方向的辐射场强较弱，而其他方向的辐射场强较强，这种情况，可以通过天线阵实现，也可以用功率分配器实现;然而利用同轴结构不等分功率分配器比天线阵列更能降低成本。
以往等分功率分配器均是在输人端作阻抗变换，难以实现一分四不等分功率分配器.本文采用通过阻抗变换先将输人端口的阻抗变换至所需值，然后在各个分支也进行阻抗变换的方法，实现了一分四不等分功率分配器，进而进行数值计算和电磁仿真[3]。
随着无线电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与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[4]。
在现代微波通讯系统与测试仪器中，无源微波器件是十分重要的组成部分。
无源微波器件可以分为功率匹配器件和频率匹配器件。
功率匹配器件包括功分器，耦合器，衰减器等，这类器件工作在一定的频段上，将主信号通道上的微波传输功率分配到不同的支路上，或者把功率衰减到一定的围。
总而言之，是对功率起直接作用的无源器件。
频率匹配器件如滤波器，双工器，合路器等都是将有用频段的信号，把从天线接收到的信号中选出来，在微波通讯系统中十分重要，常位于放大器的前端。
我国民用的通讯频段主要集中在0.8GHz-2.5GHz。
其中涵盖了：
CDMA800MHz；GSM900MHz、1800MHZ；小灵通PHS1900MHZ；DCS1700MHz；3G192OMHZ、2110MHz；WLAN2400MHz。
不同的电信运营商，虽获得的频段略有差异，但为了系统有较大的兼容性与扩展功能，越来越要求它们有更宽的工作频带、更小的相邻信道间的干扰等。
就功率匹配器件这一块来说，希望它们的工作频带都为0.8GHz-2.5GHz；而且要求器件小型化，输入、输出端口低驻波，传输通道低插损，相邻信道高隔离等。
在这种设计要求下，我们设计了微带二功分器，微带定向耦合器[5]。
在实际应用中，有时候需要将信号源的功率分别馈赠给若干个分支电路。
例如将发射机的功率分别馈送给天线的很多个辐射单元，就是说，进行功率分配，这就要用到各种类型传输线的分支元件[6]。
一种新的微带功率分配器（PD）是提出了一个平行耦合线（PCL）对包括地面上的缺陷，它的两个输出是由一个电阻和一个电容相连。
PD是一个0.9GHz的开发和实验结果证明它具有低插入损耗，良好的阻抗匹配和隔离。
此外，第三次谐波抑制这种局部放电优于35分贝和分频器总面积只有34％的常规情况[7]。
在微波电路中，功率分配器是最基本的的元件之一。
通常情况下，我们采用微波等功率分配，如经典的Wilkinson结构，易实现，性能好。
然而，在有些情况下需要两路功率不是等分而是要按照一定的比例分配。
在功率分配比大于6时，可以直接选用定向耦合器作为功率分配元件。
但是，在小于6时，由于耦合器间距要求过近，无法保证实现的精度，这就要求我们进行不等分功率分配器的设计。
以同等功率的分配器。
这项建议并不需要额外的设计制造过程中的修改和补充的结构相比，其他典型的多枝波导。
统一的输出功率的分布情况可以很容易地获得通过调整之间的部和外部树枝分枝角度不引入多余的散射损耗.类似的设计程序时，也可用于其它电源工作波长分割比率或指定[8]。
自从20世纪40年代MIT辐射实验室发明和塑造了种类繁多的波导型功分器和耦合器后，在20世纪50年代中期和60年代又发明了多种采用带状线技术的耦合器。
其分析设计方法到六十年代中期的微波网络模型，逐步从数学上来阐明其性质，单是由于没有微波网络的分析模型，设计人员一般采用繁琐的试凑法。
可以想象，每一次的参数优化都需要在实验室由世纪的模型来完成，整个过程漫长复杂。
20世纪70年代开始计算机的普与和仿真软件的出现，使得模型的设计可由专门的厂家来和设计公司完成。
这样，在预估计电路性能方面，即使只是基本熟悉计算机使用的工厂技术人员也可以准确而迅速地获得微波电路的优化设计参数，这却是那些只熟悉电路理论而不懂得借助于计算机进行试验设计的人员办不到的[9]。
在微波设计软件中最为出名的就是ADS（AdvancedDesignSystem）——美捷伦公司所拥有的电子设计自动化软件；ADS功能十分强大，支持射频和系统设计工程师所开发的所有类型的RF设计，从简单到复杂，从离散的射频/微波模块到用于通信和航天/国防的集成MMIC，几乎成为微波电路设计工作中必备的工具。
现代社会对于不等分微带功分器的研究，越来越深入，通过对威尔金森功分器原理的不断研究，人们对功分器的研究也有了一定的突破，选择这个课题可以对此方面做一定的研究，有助于对其的了解，便于日后应用[10]。
2概述
2.1不等分功分器中的微带线
2.1.1微带线的定义
微带线是式一种准TEM波传输线，结构简单，计算复杂，位于接地层上由电介质隔开的印制导线，它是一根带状导（信号线）．与地平面之间用一种电介质隔离开。
。
印制导线的厚度、宽度、印制导线与地层的距离以与电介质的介电常数决定了微带线的特性阻抗。
如果线的厚度、宽度以与与地平面之间的距离是可控制的，则它的特性阻抗也是可以控制的。
单位长度微带线的传输延迟时间，仅仅取决于介电常数而与线的宽度或间隔无关[11]。
目前，微带传输线可分为两大类：
一类是射频/微波型号传输累的电子产品，这一类产品与无线电的电磁波有关，它是以正弦波来传输信号的，如雷达、广播电视和通信；另一类是高速逻辑信号传输类的电子产品，这一类产品是以数字信号传输的，同样也与电磁波的方法传输有关，这一类产品开始主要应用在计算机等中，现在已迅速推广应用到家电和通信类电子产品上了[12]。
为了达到高速传送，对微波印制板基板材料在电气特性上有明确的要求。
在提高高速传送方面，要实现传输信号的低损耗、低延迟，必须选用介电常数合适和介质损耗角正切小的基板材料进行严格的尺寸计算和加工。
2.1.2微带线的结构
图2-1常规微带线截面图
如图2-1是微带线横截面的结构图，相关设计参数如下：
（1）基板参数：
基板介电常数Εr、基板介质损耗角正切tanδ、基板高度H和导线厚度t。
导带和底板（接地板）金属通常为铜、金、银、锡或铝。
（2）电特性参数：
特性阻抗Z0、工作频率f0、工作波长λ0、波导波长λg和电长度（角度）θ。
（3）微带线参数：
宽度W、长度L和单位长度衰减量AdB。
构成微带的基板材料、微带线尺寸与微带线的电性能参数之间存在严格的对应关系。
微带线的设计就是确定满足一定电性能参数的微带物理结构[13]。
2.1.3微带线计算
已知传输线的电特性参数（Z0、θ），求微带线的物理结构参数（W、L、AdB）。
解：
（2-1）
（2-2）
（2-3）
其中：
（2-4）
（2-5）
（2-6）
（2-7）
（2-8）
（2-9）
已知微带线的物理结构参数（W、L、AdB），求电特性参数（Z0、θ）。
解：
（2-10）
（2-11）
（2-12）
2.1.4微带线常用材料
构成微带线的材料就是金属和介质，对于金属的要导电性能，对于介质的要提供合适的介电常数，而不带来损耗。
当然，这是理想情况下，对材料的要求还与制造成本和系统性能有关。
1）介质材料
高速传送信号的基板材料一般有瓷材料、玻纤布、聚四氟乙烯、其他热固性树脂等。
表2-1给出了微波集成电路中常用介质材料的特性。
就微带加工工艺而言，这些材料有两种实现方式：
（1）在基片上沉淀金属导带，这类材料主要是瓷类刚性材料。
这种方法工艺复杂，加工周期长，性能指标好，在毫米波或要求高的场合使用。
（2）在现成介质覆铜板上光刻腐蚀成印制板电路，这类材料主要是复合介质类材料。
这种方法加工方便，成本低，是目前使用最广泛的方法，又称为微波印制板电路。
在所有的树脂中，聚四氟乙烯的介电常数Εr稳定，介质损耗角正切最小，而且耐高低温性和耐老化性能好，最适合于作高频基板材料，是目前采用量最大的微波印制板制造基板材料。
2）铜箔种类与厚度选择
目前最常用的铜箔厚度有35μm和18μm两种。
铜箔越薄，越易获得高的图形精密度，所以高精密度的微波图形应选用不大于18μm的铜箔。
如果选用35μm的铜箔，则过高的图形精度使工艺性变差，不合格品率必然增加。
研究表明，铜箔类型对图形精度亦有影响。
目前的铜箔类型有压延铜箔和电解铜箔两类。
压延铜箔较电解铜箔更适合于制造高精密图形，所以在材料订货时，可以考虑选择压延铜箔的基材板。
表2-1微波集成电路中常用介质材料的特性
材料
损耗角正切
（10GHz时）
相对介电常数
电导率
应用
氧化铝瓷
99.5%
96%
85%
2
6
15
10
9
8
0.30
0.28
0.20
微带线
蓝宝石
1
10
0.40
微带线，集总参数元件
玻璃
20
5
0.01
微带线，集总参数元件
熔石英
1
4
0.01
微带线，集总参数元件
氧化玻
1
7
2.50
微带线复合介质基片
金红石
4
100
0.02
微带线
铁氧体
2
14
0.03
微带线，不可逆元件
聚四氟乙烯
15
2.5
微带线
3）环境适应性选择
现有的微波基材，对于标准要求的-55~+125℃环境温度围都没有问题。
但还应考虑两点，一是孔化与否对基材选择的影响，对于要求通孔金属化的微波板，基材z轴热膨胀系数越大，意味着在高低温冲击下，金属化孔断裂的可能性越大，因而在满足介电性能的前提下，应尽可能的选择z轴热膨胀系数小的基材；二是适度对基材板选择的影响，基材树脂本身吸水性很小，但加入增强材料后，其整体的吸水性增大，在高温环境下使用时会对介电性能产生影响，因而选材时应选择吸水性小的基材或采取结构工艺上的措施进行保护。
2.2功分器
2.2.1功率分配器定义
在射频/微波电路中，为了将功率按一定的比例分成两路或多路，需要使用功率分配器（简称功分器）。
在近代射频/微波大功率固态发射源的功率放大器中广泛地使用着功率分配器。
功率分配器的技术指标包括频率围、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。
（1）频率围。
这是各种射频/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）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传输线。
（3）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。
如两等分功率分配器的分配损耗是3dB，四等分功率分配器的分配损耗是6dB。
定义：
（2-13）
式中
（2-14）
（4）插入损耗。
输入输出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，考虑输入端的驻波比所带来的损耗。
定义
（2-15）
其中，A是实际测量值。
在其他支路端口接入匹配负载，测量主路到某一支路间的传输损耗。
可以想象，A是理想值就是Ad。
在功率分配器的实际工作中，几乎都是用A作为研究对象。
（5）隔离度。
支路端口间的隔离度是功率分配器的另一个重要指标。
如果从每个支路端口输入功率只能从主路端口输出，而不应该从其他支路输出，这就要求支路之间有足够的隔离度。
在主路和其他支路都接匹配负载的情况下，i口和j口的隔离度定义为
（2-16）
隔离度的测量也可按照这个定义进行。
（6）驻波比。
每个端口的电压驻波比越小越好。
2.2.2功率分配器的工作原理
一分为二功率分配器是三端口网络结构，如图2-2所示。
图2-2功率分配器示意图
信号输入端的功率为P1，而其他两个输出端口的功率分别为P2和P3。
由能量守恒定律可知P1=P2+P3。
如果P2（dBm）=P3（dBm），三端功率间的关系可写成
P2（dBm）=P3（dBm）
=Pin（dBm）-3dB（2-17）
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，功率分配器可分为等分型（P2=P3）和比例型（P2=kP3）两种类型。
2.2.3微带线功率分配器
功率分配器/合成器有两路和多路或三路情况下。
（1）两路功率分配器
如图2-3是两路微带线威尔金森功率分配器示意图。
图2-3威尔金森功率分配器示意图
这是一个功率分配器，Z0是特性阻抗，λg是信号的波导波长，R是隔离电阻。
当信号从左端一号端口输入时，功率从二号端口和三号端口等功率输出。
如果有必要，输出功率可按一定比例分配，并保持电压同相，电阻R上无电流，不吸收功率。
若二号端口或三号端口有失配，则反射功率通过分支叉口和电阻两路到达另一支路的电压等幅反相而抵消，在此点没有输出，从而可保证两输出端有良好的隔离。
考虑一般情况（比例分配输入功率）下，设三号端口P3和二号端口P2的输出功率比为k2，即
（2-18）
由于一号端口到二号端口与一号端口到三号端口的线长度相等，故二号端口的电压U2与三号端口的电压U3相等，即U2=U3。
二号端口与三号端口的输出功率与电压的关系为
（2-19）
将
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