功分器设计.docx

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功分器设计

功分器设计

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

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。

功率分配器又可以逆向使用作为功率合成器，因此有时又称为功率分配/合成器。

对于高效率应用场合，对功率分配器的主要要求是：

插损较小，各路幅度和相位一致性要好，以保证较高分配与合成效率。

两支路之间的隔离度要好，平滑度高，当其中的一路出现故障时不至于影响另一路的正常工作或影响很小，以提高设备的安全系数和可靠性。

宽频带，即在超宽的频带内达到所要求的性能。

电路形式简单，容易调整，且体积小，以便于设备的小型化和实现批量生产。

有足够的功率容量，以满足大功率分配合成的需要。

当功率分配/合成器的工作频率较低时，其理论分析与实际研制都能达到较高的效果，但随着频率升高，特别是在10Ghz以上，则会带来许多的问题，要求加工精度更高，微带线的损耗增加，微带不连续模型不够精准，隔离电阻尺寸可以与波长相比拟，不再是一个纯电阻，且波长变短使分配/合成器的体积减小带来微带间的耦合等。

功率分配器和定向耦合器都属于无源微波器件，主要应用于功率分配和功率合成。

工程上常用的功率分配器和定向耦合器有T型结功分器，威尔金森功分器，倍兹孔定耦合器，分支线混合网络，Lange耦合器，波导魔T和对称渐变耦合线耦合器等。

功分器有两路功率分配器，三路功率分配器，八路功率分配器等

功率分配器通常采用三端口网络，常用3dB等分形式，但也有不等分的形式。

而定向耦合器通常采用四端口网络，它可以设计为任意功分比。

第2章研究理论基础

2.1功分器的理论基础

随着我国军事装备发展的突飞猛进，对频率高端，尤其是2Ghz到10Ghz宽频带内高可靠微波功分器的应用也越来越广，需求量迅猛增加。

特别是在微波测量和电子对抗系统中，为提高装备的实用性和多信号捕捉能力，往往选用宽带体制来作为系统方案，此时对功分器提出了全频带带宽覆盖的要求。

功分器是微波接收，射频及频率合成系统中不可缺少的部件，无论是微波通信，雷达，遥控遥感，电子侦测，电子对抗还是微波测量系统中，都有将信号等功率分配的要求，讲信号等分配为多路，再分别进行处理，是非常普遍的应用。

在发射系统中，将功分器反转使用，就是功率合成器，在中，大功率发射源中，对整个系统性能有着重要的影响。

尤其是在多通道侧向系统中，更是决定着系统性能的关键部件，对幅度的一致性，相位的一致性指标有着严格的要求，这样才能保证系统的测量精度。

微波功分器除了幅度，相位一致性要求外，对功分器的插入损耗还有着较高的要求，以避免过大的损耗降低信号强度。

同时，为保证各路之间的不受串扰的影响，隔离度指标也相当的很重要，在微波测量系统中尤其如此。

此外，在微波发射源中作为微波功率合成器使用时，对微波功分器的承受功率还有更高的要求。

近年来随着我国国民经济和科学技术的发展，电子信息尤其是无线通信日新月异，3G还没普及，4G已经暂露头角，功率分配器不仅应用在射频功率的分配和合成，在超宽带短脉冲电磁场应用中，采用阵列天线的技术是提高探测距离是较为理想的选择，阵列天线的关键技术——功分器的研制就相当重要。

无线电发射设备中，为了保证足够远的传输距离。

采用功率合成技术将多路固态器件输出功率进行同向叠加，是获得更高输出功率的有效途径之一。

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，小型化低功率的高频嗲子器件及电路设计使微带技术发挥了优势。

单波传输使得系统的增益达不到实际的要求，从而必须实现多波传输，也就是将功率进行分配，即产生了功率分配器，简单功分器。

本文设计仿真的是最简单最经典的威尔金森功分器，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信质量，微带功分器在实验应用中显得更为突出。

随着我国军事装备的迅猛发展，对功分器的带宽覆盖提出了更高的要求。

在全频率带范围内，要满足功分器的各项性能指标，具有相当大的难度。

目前，国内能够生产此类宽带微波功分器的单位不多，一般均为研制配套件或根据用户定制少量生产，未构成产品系列，其结果是研制周期长，成本高，实用性不强。

微波功分器的产品从上世纪70年代国外就早以有之，早期产品多用于微带线威尔金森结构，基本属于窄带应用，经过四十多年的发展，随着工艺水平的提高和传输线理论的进一步完善，在该领域已经有了很大的突破。

目前，国外的产品以PULSAR，NADAR，MERRIMAC，TMT，M/ACOM，MCS等公司为代表，已经形成了从窄带到快带，从双路到多路的完整的产品线，其中以PULSAR的公司的产品最全，质优面广著称。

PULSAR的快带微波功分器产品主要以带状线工艺为主，可以提供较高的性能指标。

国内产生微波功分器的厂家主要有亚光厂和泰格微电子研究所，尤其是亚光厂在该领域已经有较为齐全的产品系列，占据了国内很大一部分军品市场。

已经研制出了YGG系列产品采还有4个GOAL和OPTM优化还有4个GOAL和OPTM优化本上为窄带和倍频程产品，已大批供应市场，无源TGG功分器如图2-1所示：

图2-1无源YGG功分器

但目前的产品主要根据用户要求定制，系统化，标准化程度还不够高，可靠性也还需要加强，电性能指标也还有继续提高的余地。

同时在产品上还应向宽频带高隔离，低损耗的方向发展，并由此解决产生的各种工艺问题。

2.2功分器技术基础

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。

目前提供功分器产品的知名厂商主要有美国安捷伦公司和德国Narda公司，常用的型号有11667A/B/C，4315-2/4306-2/4311B-2等。

相对大型微波立体器件，微带技术具有体积小，重量轻，成本低和频带宽等优点，本文设计一种微带威尔金森功分器，利用ADS进行仿真。

2.2.1什么是功分器

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。

功率分配器又又可以逆向使用作为功率合成器，因此有时又称为功率分配/合成器。

2.2.2功分器的重要性

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。

单波传输使得系统的增益达不到实际的要求，从而必须实现多波传输，也就是将功率进行分配，即产生了功率分配器，简称功分器。

本文设计仿真的是最简单最经典的威尔金森功分器，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信质量，而微带功分器在实践应用中显得更为突出。

2.2.3Wilkinson功分器的优点

Wilkinson具有一些独特的优点如下:

功分器可以用作合成器，合成器也可以用作功分器，功率容量较低，可以均分输出设计或者不均分输出分设计，不可以传输DC，隔离度高。

它的这些优点使它具有相当高的研究价值。

2.3wilkinson基本工作原理：

功率分配器可以等效为将输入功率分成相等或者不相等的几路输出功率的一种多端口微波网络。

在理想情况下，功率分配器各输出功率之和等于输入端口功率。

但实际上，由于功率分配器的存在损耗，各个输出端口输出信号的幅度和相位不可能完全一致，这就会造成各路功率比理想情况要小，也就是说输出端口的输出功率之和小于输入功率。

因此，再设计功率分配其时一定要做到个输出端口输出信号幅度和相位一致性高，损耗小；并且各端口间应当具有足够的隔离作用，使得各路互不影响。

功率分配器是三端口电路结构，其信号输入端的输入频率为P1，而其它两个输出端的输出功率分别为P2及P3，理论上，由能量守恒定律可知P1=P2+P3，若P2=P3并以毫瓦分贝来表示三端口之间的关系，则可以写成，P2（dbm）=P3（dbm）-3db。

当然P2并不一定要等于P3，只是相等的情况下最常使用在电路。

因此，功率分配器大致可分为等分型（P2=P3）及比例型（P2=KP3）两种类型。

威尔金森功分器的功能就是将输入信号等分或不等分地分配到各个输出端口，并保持相同的输出相位。

环形器虽然有相似功能，但威尔金森功率分配器在应用上具有更宽的带宽。

Wilkinson功率分配器的功能是将输入信号等分或不等分地分配到各个输入端口，并保持相同输出相位。

环形器虽然有类似功能，但Wilkinson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结构如图2-2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

，特性阻抗分别为Z02和Z03，终端分别接负载R2和R3。

图2-2功分器的电路结构

功分器各个端口特性如下：

端口1无反射端口2和端口3输出电压相等且同相

端口2，端口3输出功率比值为任意指定值1/k^2因此，

（2-1）

，

，

（2-2）

（2-3）

由四分之一波长传输线阻抗变换理论得：

（2-4）

（2-5）

设R2=KZ0，则Z02，Z03，R3为：

（2-6）

（2-7）

（2-8）

为了增加隔离度在端口2和端口3之间贴加了一个电阻R，隔离电阻R的电阻值为：

（2-9）

当k=1时，上面的结果化简为功率等分情况。

还可以看出，输出线是与阻抗R2=KZ0和R3=Z0/K匹配的，而不与阻抗Z0匹配。

2.4Wilkinson功率功分器的基本指标

2.4.1.输入端口的回波损耗

输入端口1的回波损耗根据输入端口1的反射功率Pr和输入功率Pi之比来算

（2-10）

2.4.2插入损耗

输出端口的插入损耗根据输出端口的输出功率与输入端口1的输入功率Pi之比来计算：

（2-11）

（2-12）

2.4.3输入端口间的隔离度

输出端口2和输出端口3间的隔离度根据输出端口2的输出功率P2与输出端口3的输出功率P3之比来计算：

（2-13）

2.4.4功分比

当其他端口无反射时，功分比根据输出端口3的输出功率P3与输出端口2的输出功率P2之比来计算：

（2-14）

2.4.5相位平衡度

在做功率合成应用时，功分器输出端口的相位平衡度直接影响功率合成的效率。

第3章ADS的介绍

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。

目前主流的电磁仿真软件主要基于一下三种方式：

矩量法：

ADS有限元法:

ANSYSEMDS时域有限差分法：

CST

3.1ADS趋势

目前，国外各种商业化的射频和微波软件工具不断涌现，首推的是AGILENT公司的ADS软件和ANSOFT公司的HFSSDESIGNER软件。

ADS是美国安捷伦公司所开发的电子设计自动化软件，功能强大，仿真手段丰富多样，包含时域电路仿真，频域电路仿真，三维电磁仿真，通信系统仿真和数学信号处理仿真设计DSP等，并可对设计结果进行成品率分析与优化。

大大提高了复杂电路的设计效率，是非常优秀的微波电路，系统信号链路的设计工具。

ADS软件支持射频和为微博色设计工程师开发所有类型的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是当今国内各大学和研究所使用最多的微波/射频电路和通信系统仿真软件。

ADS软件版本有ADS2009，ADS2008，ADS2005A，ADS20004A等。

此外，AGILENT公司还和多家半导体厂商合作建立了ADSDESUGNKIT及MODELFILE，以供设计人员使用。

使用者可以利用DESIGNKIT及软件仿真功能进行通信系统的设计，规划与评估及MMIC/RFIC，模拟与数字电路设计。

除了上述仿真设计外，ADS软件也提供了辅助设计功能，如DESIGNGUIDE以范例及指令方式示范电路活系统的设计流程，而SIMULATIONWIZARD以步骤式界面进行电路设计与分析。

ADS还能与其他EDA软件，如SPICEMENTORGRAPHICS的MODELSIMGADENCE的NC-VERILOG，MATHWOKES的MATLAB等进行协同仿真在加上丰富的元件应用模型库及测量/验证仪器间的连接功能，大大增加了电路与系统设计的方便性，快速性与精确性

ADS的仿真设计方法

ADS软件可以帮助电路设计这进行模拟，射频与微波等电路和通信系统设计，其提供仿真分析方法大致可以分为：

时域仿真，频域仿真，系统仿真和电磁仿真。

高频SPICE分析方法提供如SPICE仿真相同的瞬态分析

用它可分析线性和非线性电路的瞬态效应。

但是与SPICE仿真相比，它又有很多优点，例如，在SPICE仿真器中无法直接使用的频域分析模型，如微带线，带状线，可以在ADS的SPICCE高频仿真器中直接使用。

这是因为ADS在仿真时可以将频域分析模型进行拉氏变化后再进行瞬态分析，而不需要使用者将该模型转化为等效的RLC电路，因此SPICE高频仿真器除了可以做低频电路的瞬态分析，也可以分析高频电路的瞬态分析。

此外SPICE高频仿真器还可以提供瞬态噪声分析的功能，可以有用来仿真电路的瞬态噪声，如震荡或锁相环的JITTER。

卷积分析方法是架构在SPIGE高频仿真器上的高级时域分析方法。

由卷积分析可以更加

地用时域的方法分析与频率相关的软件，例如，以S参数定义的元件，传输线和微带线等。

3.2线性分析

线性分析为频域的电路仿真方法，可以对线性或非线性的射频与微波电路进行线性分析。

当进行线性分析时，软件首先会先针对电路中的每个元件计算所需要线性参数，如S，Z，Y和H参数，电路阻抗，噪声，反射系数，稳定系数，增益或损耗等，然后再进行整个电路的分析和仿真。

射频电路分析

射频系统分析方法可以让使用者模拟评估系统特性，其中系统的电路模型可以使用行为级模型外，也可以使用元件电路模型进行响应验证。

射频系统仿真分析包含了上面介绍的线性分析，谐波平衡分析和电路分析等各种分析手段，它们分别来验证射频系统的无源元件和线性化系统模型特性，非线性系统模型和具有数字调频信号的系统特性。

3.3电磁反正分析

ADS软件提供了一个平面电磁仿真分析功能——MOMENTUN，它可以用来仿真微带线，带状线和共面波导的电磁特性，天线的辐射特性，以及电路板上的寄生，耦合效应。

所分析的S参数结果可直接用于谐波平衡和电路包络等电路分析中，进行电路设计和验证。

ADS的辅助设计功能

ADS软件除了上述的仿真分析功能外，还包含其他辅助设计功能以增加使用者使用的方便性，同时提高电路设计效率。

设计指南

设计指南以范例与指令的说明示范电路设计的设计流程，使用者可以利用这个示范与指令，学习如何利用ADS软件高效地进行电路设计。

目前ADS所提供得到设计指南包括:

WLAN设计指南，BLUETOOTH指南，CDMA2000设计指南，RFSYSTEM设计指南，MIXER设计指南，OSCILLATOR设计指南，passiveciruite设计指南，Phasedlockedloop设计指南，AMPLIFIER设计指南和FILTER设计指南。

除了使用ADS自带的设计指南外，使用者也可以通过软件中的DESIGNGUIDEDEVELEPERSTUDIO建立自己的设计指南。

3.4仿真向导

仿真向导提供的设定界面工设计人员进行电路分析与设计，使用者可以利用图形化界面设定所需验证的电路响应模型。

ADS提供的仿真向导包括，元件特性，放大器，混频器和线性电路。

仿真结果显示模板

为了增加仿真分析的方便性，ADS软件提供了仿真模板功能，它让使用者可以将经常重复使用的仿真设定（如仿真控制器，电压电流源，变量参数设定等）制定成一个模板直接使用，避免了重复设定所需的时间和步骤。

结果显示模板也具有相同的功能，使用者可以将经常使用的绘图或列表格式制成模板以减少重复设定所需的时间。

除了使用者自行建立的模板外，ADS软件也提供了标准的仿真与结果显示模板以供利用。

ADS与其他EDA软件和测试设备间的连接

由于现今电路设计的复杂庞大，每个EDA软件在整个系统设计中均扮演不同的角色，其主要功能的侧重点不同。

因此，软件与软件之间，软件和硬件之间，软件和元件商之间的沟通与连接也成为设计中不可忽视的组成部分。

ADS软件按提供了丰富的接口，它能方便地与其他设计验证软件和硬件进行连接。

SPICE电路转换器可以将由SPICE所产生的电路图转换成ADS格式的电路图进行仿真分析:

另外也可以将由ADS产生的电路图转换成SPICE格式的电路图，做布局与电路结构检查，布局寄生抽取等验证。

电路与布局文件格式转换器

电路与布局文件格式装换器是使用者与其他EDA软件连接沟通的桥梁，可以将不同的EDA软件所产生的文件装换成ADS可以使用的文件格式。

ADS应用结论

随着电路结构的日趋复杂和工作频率的提高，在电路与系统设计的流程中，EDA软件已经成为不可缺少的工具。

ADS软件所提供的仿真分析方法的速度，准确与方便性显得十分重要，此外该软件与其他EDA软件以及测量仪器的连接，也是现在的庞大设计流程所必须具备的功能之一，AGILENT公司推出的ADS软件以其强大的功能成为现金国内各大学和研究所使用最多的软件之一。

第4章功分器的原理图设计仿真与优化

4.1等分威尔金森功分器的设计指标

等分威尔金森功分器的设计指标：

频带范围：

2GHZ到4GHZ

频带内输入端口的回波损耗：

C11>20db

频带内的插入损耗：

C21<3.1db，C31<3.1db

两个输出端口间的隔离度:

C23>25db

4.2建立工程与设计原理图

本文使用ADS2011进行仿真设计一个Wilkinson功率功分器，并根据一定的指标对其性能参数进行优化仿真。

4.2.1建立工程

（1）运行ADS2008，打开ADS2008主窗口。

（2）执行菜单命令【file】-【newproject】。

弹出【newproject】对话框，新建工程【equal-divider】

（3）单击【OK】按钮，弹出原理图设计窗口和原理图设计向导，在原理图设计向导中选择【nohelpneeded】，再单击【finish】按钮打开原理图设计窗口，如图4-1新建工程图。

图4-1新建工程

4.2.2设计原理图：

1、在原理图设计窗口元件面板下拉列表中选“Tlines-microstrip”元件库，打开微带元件面板，如图4-2所示。

图4-2“Tlines-Microstrip”元件库

2、原理图设计窗口左边的微带线器件面板中有各种微带电路元件，本设计用到的元件如图4-3所示：

图4-3所用的元件

3、设计输入端口电路，输入端口的电路连接如图4-4：

图4-4输入端口连接图

4、设计阻抗变换电路，四分之一波长阻抗变化部分的连接如图4-5所示。

其中，薄膜电阻TFR为两路分支线之间的隔离电阻，用来增加两个输出端口之间的隔离度。

图4-5阻抗变化连接图

5、设计输出端口电路，两输出端口的电路为对称结构，如图4-6和如图4-7，如图4-8。

图4-6功分器上支线

图4-7功分器下支线

两个隔离电阻分别为R1，R2，取值分别为94Ohm,245.5Ohm，如图4-8所示：

图4-8功分器隔离电阻

图4-9微带型威尔金森功分器的原理图

6、把输入端口电路，阻抗变换电路的输出端口电路用导线连接在一起，就构成了一个完整的微带型威尔金森功分器，如图4-9。

4.2.3基板参数设置

在微带面板中选择微带线参数设置控件MSUB（微带基板），插入原理图中。

双击原理图中的“MSUB”控件，然后在弹出的对话框中设置参数，H=1mm,Er=2.6,Mur=1,cond=1.0E+50,Hu=3.9e+034mil,T=0.0035mm,TanD=0,Rough=0mil.图4-10，图4-11，图4-12所示。

图4-10equationeditor图

图4-11微带线的参数

H=1mm，表示微带线介质基片厚度为1mm，

Er=2.6，表示微带线介质基片的相对介电常数为2.6

Mur=1，表示微带线介质基片的相对磁导率为1

Cond=1.0E+50表示微带线金属片的电导率1.0E+50

Hu=3.9e+034mil表示微带电路的封装高度为3.9e+034mil

T=0.0035mm表示微带线金属片的厚度为0.0035mm

TanD=0表示微带线的损耗角正切为0

Rough=0mil表示微带线的表面粗糙度为0mm

由功分器的理论分析可知，输入输出端口微带线的特性阻抗为50Ohm，则四分之

一波长微带线的特性阻抗为70.7Ohm。

图4-12Msub参数设置

在原理图设计窗口中执行菜单命令【tools】-【linecale】-【startlinecalc】。

弹出如图所示的“LineCale”窗口。

在“substrateparameters”栏中输入如图4-12所示的MSUB控件的基本参数。

在“componetparameter”栏的“Freq”项中输入功分器的中心频率为10.000GHZ。

在“Eleetrical”栏的传输线特性阻抗“Z0”项中输入47.250Ohm，单击按钮就可以在“Physical”栏的传输线宽度“W”项中得到25.000mm的线宽。

4.2.4基板参数输入

同样，在传输线特性阻抗“Z0”项中输入47.250hm，并在“E_Eff”文本框中

输入230deg（四分之一波长），单击按钮得到“physical”栏的”W”项为

25.000mm，“L”项为100.000mm（约为四分之一波长）。

4.2.5插入VAR

计算出功分器各段微带线的理论尺寸后，为便于参数优化的需要，在原理图中插入“VAR”控件,如图4-13所示：

图4-13Var参数设置

4.2.6VAR参数设置

双击“VAR”控件，弹出参数设置窗口，分别将w1，w2，1h设置为变量，根据前面“linecalc”的计算结果，设置W1，W2.1H。

4.2.7VAR微带线

完成【var】参数的设置后，依次双击原理图中功分器的各段微带线，并设置微带线的宽度W与长度L，单位为MM。

具体的变量设置如图4-14，图4-15所示：

图4-14微带线计算工具Linecale

图4