功分器设计报告.docx

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功分器设计报告

功

分

器

设

计

报

告

组员：

指导老师：

日期：

2013年5月3日

功分器基本原理

功分器是一种将一路输入信号能量分成两路或多路输出相等或不相等能量的器件，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，一个功分器的输出端口之间应保证一定的隔离度。

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。

功分器通常备为能量的等值分配，通过阻抗变换线的级联与隔离电阻的选择，具有很宽的频带特性。

参数说明：

插入损耗：

器件直通损耗，其计算公式为所有的路数的输出功率之和与输入功率的比值，或单路的实际直通损耗减去理想的分配损耗，一般理想分配损耗由下式获得：

理想分配损耗（dB）=10log（1/N）

N为功分器路数

N=23.0dB

N=34.8dB

N=46.0dB

隔离度：

当主路接匹配负载时，各分配支路之间的衰减量。

幅度平衡：

指频带内所有输出端口之间的幅度误差最大值。

相位平衡：

指频带内各输出端口之间相对于输入端口相移量的起伏程度。

图是二路功分器的原理图。

图中输入线的特性组抗为Z0,两路分支线的特性阻抗分别为Z02和Z03，线长为λ/4,λ/4为中心频率时的带内波长。

图中R2,R3为负载阻抗，R为隔离阻抗。

对功分器的要求是：

两输出口2和3的功率按一定比例分配，并且两口之间相互隔离，当两口接匹配负载时，1口无反射。

下面根据上述要求，确定Z02、Z03、R2、R3及R的计算公式。

设2口、3口的输出功率分别为P2、P3，对应的电压为V2、V3.根据对功分器的要求，则有：

P3=K2P2|V3|2/R3=K2|V2|2/R2

式中K为比例系数。

为了使在正常工作时，隔离电阻R上不流过电流，则应

V3=V2于是得R2=K2R3

若取R2=KZ0

则R3=Z0/K

因为分支线长为λe0/4，故在1口处的输入阻抗为：

Zin2=Z022/R2Zin3=Z032/R3

为使1口无反射，则两分支线在1处的总输入阻抗应等于引出线的Z0，即

Y0=1/Z0=R2/Z022+R3/Z032

若电路无损耗，则

|V1|2/Zin3=k2|V1|2/Zin2

式中V1为1口处的电压

所以Zin=K2Z03

Z02=Z0[（1+K2）/K3]0.5

Z03=Z0[（1+K2）K]0.5

设计目标

工作频率：

1.5—2.5GHz

插入损耗：

≤1dB

隔离度：

≥20dB（3个端口）

幅度不平度：

≤1dB

相位不平度：

≤3º

输入输出驻波比：

≤1.5

电路仿真

电路仿真采用ADS2011软件，原理图如下图所示：

原理图

经过多次优化之后，各项指标均能达到设计要求，仿真曲线如下所示：

原理图隔离度S23

原理图发射系数S11

原理图插入损耗S21

电磁场仿真

场仿真采用HFSS10.0软件，3D模型及仿真曲线如下图所示

3D模型

S参数仿真曲线

版图设计

经过ADS软件仿真及优化之后，通过Layout得到仿真版图如下图所示：

版图

经过HFSS软件可导出CAD版图，如下图所示：

CAD版图

实验调试

根据CAD版图，可制得实际版图，经过简单的焊接工作之后，制作的功分器如图所示：

实物图

将功分器连接电缆与频谱分析仪连成回路，经过频谱仪操作，可测得测试曲线如下图所示：

S21参数测试曲线

相位不平度测试曲线

S11参数测试曲线

隔离度测试曲线

幅度不平度测试曲线

数据分析

通过测试曲线，可知功分器基本工作在1.8-2.2GHz；

S11参数最小值为-4.394dB，考虑到仪器本身的3dB损耗，可知插损为1.394dB，略大于1dB，未达到插损≤1dB的设计指标；

相位不平度最大值为2.718°，数值小于等于3°，达到设计指标；

设计指标中要求输入输出驻波≤1.5，经过换算可得S11≤-14dB才能满足设计要求，而测试数据中S11参数最大值为-15.517dB，满足设计要求；

工作频率范围内，隔离度为24.244dB~26.824dB，满足隔离度≥20dB的设计要求；

幅度不平度最大值为0.465dB，达到幅度不平度≤1dB的设计指标。

实验结论

经过数据分析，可知所制功分器除了插损略有瑕疵，其它参数均能满足设计要求，性能指标基本合格，实验比较成功。

实测数据与仿真数据有一定的差异，如隔离度指标仿真数据为21dB~28.5dB，而实测为24.244dB~26.824dB，S11参数与S21参数仿真数据与实测数据也有一定的偏差，这与实验仪器的误差、传输线的误差及制作板材均有一定的关系，所以为了最后能达到设计指标在前期仿真和实物的制作过程中均要精益求精，任何一步细微的失误都有可能导致最后制作的失败。

通过本次实验，在老师的指导之下，使本小组所有成员基本了解了功分器的设计思路，夯实了与功分器有关的专业基本知识，进一步掌握了HFSS及ADS软件的仿真及优化方法，对高频器件的设计及制作有了初步的认识，实现了学习本门课程的目的。