微带不等分功分器设计与仿真

微带不等分功分器设计与仿真

一、 摘要

功分器全称功率分配器，英文名Power divider，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，此时可也称为合路器。一个功分器的输出端口之间应保证一定的隔离度。功分器的主要技术参数有功率损耗（包括插入损耗、分配损耗和反射损耗）、各端口的电压驻波比，功率分配端口间的隔离度、功率容量和频带宽度等。

二、 设计目的和意义

三、设计原理

功分器全称功率分配器，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，此时可也称为合路器。一个功分器的输出端口之间应保证一定的隔离度。功分器的主要技术参数有功率损耗（包括插入损耗、分配损耗和反射损耗）、各端口的电压驻波比，功率分配端口间的隔离度、功率容量和频带宽度等。

功分器也叫过流分配器,分有源,无源两种,可平均分配一路信号变为几路输出,一般每分一路都有几dB的衰减,信号频率不同,分配器不同衰减也不同,为了补偿衰减,在其中加了放大器后做出了无源功分器 。

功分器的功能是将一路输入的卫星中频信号均等的分成几路输出，通常有二功分、四

功分、六功分等等。功分器的工作频率是950MHz－2150MHz，卫视烧友想必对功分器是再熟悉不过了。以上三个器件的用途和性能是完全不同的，但在日常使用中往往容易把名称混淆了，使得人们在使用中容易产生困惑.*接收系统中的多台卫星接收机，共用一面天线，几面天线共用一台卫星接收机，以及两台以上卫星接收机和两面以上天线共用，它们之间的连接除了依靠电缆之外，主要是靠切换器的组合编程来实现的。

功分器是接多个卫星接收机用的.如果一套天线要接多个卫星接收机就要用功分器.根据所接接收机的多少选用功分器.如果接两接收机就用二功分器.接四接收机就用四功分器。

功率 分配 器可 以采 用定 向耦 合器和 分路 器两 种 方法 实现 。但 定向 耦 合 器 的 结构 较 复 杂 , 其 功 率 分 配的 比值 又往 往与 频 率 有 关 , 无 法 满 足宽 带 功 率 分 配的 要求 。因 此 , 在 宽带 电路 中 , 往往采 用结 构比 较 简单 , 实现 较容 易 , 且带 宽又 较宽 的分路 器来 实现 功 率分 配的 功能 。本 次 设 计 就 是 采用 分 路 器 的 方 法 , 一路 输入 分为 两路 输出 。和其 他 微 带 电路 元 件 一样 , 分 路 器 也 有一 定 的 频率 响应 特 性 。 当 频 带 边 缘 频 率 之 比 f 2 / f 1 = 1. 44时 , 输入驻 波比 ∀ < 1. 22, 能 基 本满 足 输 出 两口 隔 离度 > 20 dB 的 指标 要 求。 但 当 = 2 时 , 其各 部 分 的 指标开 始下 降 , 隔 离 度 只 有 14. 7 dB , 输 入 驻 波 比 也 达 到 1. 42. 。为 了 进 一 步 加 宽 工 作 带 宽 , 可 以 用 多 节的宽 频带 分功 率分 配 器 , 即 和 其 他 一 些宽 频 带 器 件一样 , 可以 增加 节 数 , 即 增 加 # g / 4 线 段 和 相 应 的 隔离电 阻 R 的数 目。分 析 结 果表 明 , 即 使 节 数增 加 不多 , 各 指标会 有较 大的 改善 , 工 作频带 也有 较大 的展 宽 。例 如 , 当 n= 2, 即 二 节 的 二 等 分 分 功 率 器 , 当f 2 / f 1 = 2 时 , 驻 波 比 ∀ < 1. 11, 隔 离 度 > 27 dB 。 当 n = 4, f 2 / f 1 = 4 时 , 驻 波 比 ∀ < 1. 10, 隔 离 度 > 26 dB 。f 2 / f 1 = 10 时 , 驻波 比 ∀ < 1. 21, 隔离 度 > 19 dB 。N 节 宽 频 带 二 等 分 功 分 器 的 一 般 形 式 , 如 图 2 所 示。 因为 是二 等分 , 所以 上、下两部 分的 电路 参

量 相 等 , 因此用 奇、偶模 分析 法很 方便。

功分器的技术指标包括频率范围、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、频率范围。这是各种射频/微波电路的工作前提，功分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。在大功分器/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线。

3、分配损耗。主路到支路的分配损耗实质上与功分器的功率分配比有关。如两等分功分器的分配损耗是3dB，四等分功分器的分配损耗是6dB。理想分配损耗（dB）= 10Log（1 / N） N为功分器路数

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。

5、隔离度。支路端口间的隔离度是功分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。 6、驻波比。每个端口的电压驻波比越小越好。

四、详细设计步骤

设计原理：

传输线结构的功率分配器[如图 1( a) 所示, 输入端口特性阻抗为 Z 0 , 两段分支微带线电长度为 / 4, 特性阻抗特性阻抗为 Z 0 , 两段分支微带线电长度为 / 4, 特性阻抗分别为 Z02 和 Z03 , 终端分别接负载 R 2 和 R3 。

首先做以下 3 条假设:

( 1) Port 1 无反射

( 2) Port 2, 3 输出电压相等且同相;

( 3) Port 2, 3 输出功率比值为任意指定值 1/ k 2 。

根据上面 3 条可得：

由传输线理论有:

设 R 2 = kZ 0 , 则 Z02 , Z03 , R3 的计算公式为:

取 k = 1 , 即得到 3 dB Wilkin son 功分器的各参数值为: R2 = R3 = Z0 , Z02 = Z03 =2 Z0 , 为了增加隔离度在Port 2, 3 之间添加了一个电阻 R = 2Z0 , 其结构如图 1 ( b)

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

2、Wi lkinson 功分器的设计

本文使用 A gilen t 公司的 ADS 软件进行功分器的设计、仿真和优化获得参数性能较好的尺寸结构, 通过 Pro tel 软件画出 PCB 图并制作实验板用于测试, 最后制作的功分器结构如图 2 所示。

图 1 传 输线结构的功分器

图 2 功分器结构

(1）、Wilkinson 功分器的指标参数：

描述 3 dB Wilk inson 功分器的关键指标 有 3 个

( 1) Port 1 的回波损耗:

RL 1 = - 20log | S11 |

( 2) Port 1 和 Port 2 之间的耦合度:

CP 12 = - 20log | S 21 |

( 3) Port 2 和 Port 3 之间的隔离度:

IL 23 = - 20log | S 23 |

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。本文设计的

功分器工作在 0. 9 ~ 1. 1 GH z 频 段, 中心 频率1. 0 GHz, 采用双面敷铜的 FR-4 介质板, 相对介电常数r= 4. 3 , 厚度 h = 1. 5 mm, 要求通带内各端口反射系数小于- 20 dB, 端口 2 和端口 3 之间的隔离度小于- 20 dB, 端口 1 和端口 2 之间的耦合度小于 3. 5 dB。

(2)、 Wilkinson 功分器的仿真与优化

根据文献[ 3] 中传输线特性阻抗计算方法, 可以得到特性阻抗为 Z0 = 50 的传输线宽度 W 1 3 mm, Z02 = Z03 =70. 7 的传输线宽度 W 2 1. 52 mm, 1/ 4 的 70. 7 传输线长度 L 41. 28 mm。得到上面这些初始值后就可以开始进行下一步的软件仿真, 在 ADS 的软件环境中选取各种需要的微带线工具, 根据上面获得的数据设置好各个元件的初值。将 1/ 4的传输线长度 L 和他的宽度 W 2 设置为变量, 将 S 11 , S21 , S 23 作为优化指标, 然后不断进行迭代运算和优化, 最后得到 W 2 = 1. 8 mm, L = 42. 35 mm , 仿真得到 S 11 , S 21 , S 23 的值分别如图 3 中的实线所示。

图3 仿真图

（3）、测试结果

功分器 各 性 能 指 标 的 测 量 采 用 Agilent 公 司 的E5071B 网络分析仪, 测试时 3 个端口的其中之一接 50匹配负载, S 11 , S21 , S 23 的测试值与仿真值的比较如图 3所示,

从测试结果可见, 中心频率有很小的偏移, S 21 产生一定误差, 这是由于实验采用的双面敷铜介质板本身功率损fr-4耗较大且实际介电常数有偏差的原因。其余各指标均达到设计目标, 且测试与仿真值整体上吻合较好。

五、设计结果和分析

威尔金森 设计向导 S参数：

优化后的S参数：

Ads 设计向导设计不等分功分器原理图：

微带功分器原理图：

设计微带功分器的原理图的S参数：

六、总结

实 际应 用中 , 常 需 要 将 某一 输 出 功 率 按 一 定的 比 例分 配到 各 分 支 电 路 中 , 例 如 : 在 相 控 雷 达 系 统 中 , 要 将发 射 机 功 率 分 配 到 各 个 发 射 单 元 中 去 ; 在 GSM 通 信系 统中 , 从锁 相 环 到接 收 、发 射 端 , 都 需要 用 到功 率分 配器 ; RF ID 电 路中 , 也 需 要 将特 定 的 功 率 均等 地分 配到 不 同的 端 口 去 ; 在 微 波 毫 米 波 系统 中 广泛 应用 功率 分配 器将 输入 功率分 配到 各个 支路中 , 功 分器作 为一 种低 耗的 无源 器件 已经 必不 可少 。 将 探讨 在 射 频 带 上 实 现 等 比 功 分 器 的 方 法 , 并 用 ADS 软件 来实 现微 带线 形式 功分 器的 设计 和仿 真。

七、体会

对于微带功率分配器我们常用的是功率等分的功率分配器，有很多软件对于功率分配

器的仿真都是可以的，常用的有ESSOF，ADS，Microwave Office等，由于软件仿真的结果是理想化的，所以插入损耗与实际的差别由于电阻接头等引的误差是不可避免的，一般情况是由实际材料等决定的。而对于各个端口的回波损耗及隔离度，ESSOF，Microwave Office的仿真结果很接近，与实验结果相比较而言，一般仿真结果需要达到28dB实验出来的才能达到21dB，但仿真结果超过28dB后实验的结果变化并不大，这可能与电缆、接头等的回波损耗有关系的。如果采用的是ADS，由于建模更接近真实，考虑到拐角等，一般情况下回波损耗及隔离度仿真结果与实验结果相差3~4dB左右，也就是说仿真是24dB而实际只能做到21dB。

以上只是根据一些实验情况总结出来的，而实际设计过程中要考虑到加工误差、材料误差等各种情况，根据实际情况进行分析。

八、参考文献

[1] Reinhold Ludwig , Pavel Bretchko . 射频电路设计

应用[ M ] . 王子宇, 译. 北京: 电子工业出版社, 2002.

[ 2] 刘学观, 郭辉萍. 微波技术与 天线[ M ] . 西 安: 西安电子 科技

大学出版社, 2004.

[3] Kai Chang. R F and M icrow ave Wireless Sy stems[ M ] . John.wiley& Sons, Inc, 2000.