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1、功分器的研究电子信息工程专业 杨海波指 导 老 师 李俊生摘 要：在微波电路中，为了将功率按一定的比例分成两路或者多路，需要使用功率分配器。而功率分配器反过来使用就是功率合成器，所以通常功率分配/合成器简称为功分器。在近代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，而且功率分配器常是成对的使用，先将功率分成若干份，然后分别放大，再合成输出。本论文的工作主要是对功分器的相关组件及其原理进行研究和分析。对比了几种常见的微带功分器，并着重利用奇偶模分析法对Wilkinson N路功率分配器进行分析阐述。最后我们设计仿真了一个功分器，并且达到了我们设计制作的要求。关键词：功分器，功率合成
2、，MO软件，设计与仿真1 引言1.1研究的背景与意义人类进入二十世纪以来，随着现代电子和通信技术的飞速发展，信息交流越发频繁，各种各样的电子电汽设备已经大大影响到各个领域企业及家庭。无论哪个频段工作的电子设备，都需要各种功能的元器件，既有如电容、电感、电阻、功分器等无源器件，以实现信号匹配、分配、滤波等；又有有源器件共同作用。微波系统不例外地有各种无源、有源器件，它们的功能是对微波信号进行必要的处理或变换。现代无源器件中，微带功分器从质量及重量上都日显重要。1.2功分器的产生与发展在微波电路中，为了将功率按一定的比例分成两路或者多路，需要使用功率分配器。功率分配器反过来使用就是功率合成器，所以
3、通常功率分配/合成器简称为功分器。在近代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，而且功率分配器常是成对的使用，先将功率分成若干份，然后分别放大，再合成输出。1960年，Ernest J. Wilkinson发表了名为An N-way Hybird Power Divede的论文中介绍了一种在所有端口均匹配、低损耗、高隔离度、同相的N端口功分器。以后的研究人员便称这种类型的功分器为威尔金森功分器。最初它的原始模型是同轴形式，此后在微带和带状线结构上得到了广泛地应用和发展，工程中大量使用的是微带线形式，大功率情况下也会用到空气带状线或空气同轴线形式。和其他的微带电路元件一样，功率
4、分配器也有一定的频率特性。当频带边缘频率之比f1/f2=1.44时，输入驻波比（VSWR）1.22时，输入驻波比（VSWR）下降到1.42，两端口隔离度只有14.7dB。威尔金森功分器的狭窄带宽限制了其在宽带系统中的应用。为了进一步加宽工作带宽，可以用多节的宽频功率分配器，即增加g/4线段和相应的隔离电阻R的数目。目前常见的微波功分器是采用微带线或腔体波导等结构的分布参数功分器。腔体波导功分器插损小、平衡度好，但隔离度较差，制作工艺较复杂，微带功分器制作简单，但相对带宽较小。而且以上分布参数功分器仅限于微波波段的窄频带应用，在微波频段以下，小型化、宽带功分器的制作比较困难。1.3 国内研究进展
5、我国对于微带功分器方面的技术研究报道还比较少，钟哲夫曾在空间合成高功率微波方面做了一些深入探讨，提出每支常规大功率管子供给一个输出喇叭、多支喇叭组成阵列,使辐射场在空间合成高功率微波束，重点研究了各种馈源输出喇叭阵列合成性能。汪海洋曾对高功率合成的关键技术，如锁相源、高功率移相器、功率合成器进行了讨论分析。并结合实验室实际情况，提出了以三端口输出相对论磁控管作为相干高功率微波源进行高功率合成技术研究的方案。理论计算和三维电磁仿真软件HFSS结合，设计了一种高功率微波介质移相器和波导型功率合成器，给出了具体设计参数。国内其他学者对功率合成技术也进行了相关研究。1.4 本论文的内容和结构本论文一共
6、由五章组成:第一章是引言部分，首先介绍了本论文的背景及研究意义，然后阐述了功分器的发展过程，以及其在现代电子领域的巨大作用。第二章是软件介绍部分，主要介绍了Microwave Office 软件的作用及其独有的功能特色。第三章是理论分析部分，主要介绍了微带功分器的基本原理，以及对各种不同的功分器的比较。第四章为功分器的设计仿真部分，给出了基于MO软件的微带功分器的设计与仿真，同时给出了设计与仿真的结果。第五章为总结与展望部分，主要是对本论文的主要工作进行了总结，指出论文的创新与不足以及需要进一步完善的地方，最后提出了对于该课题进一步研究的个人见解。2 软件介绍2.1 MO软件概述随着微波、射频
7、系统设计的复杂化、电路指标的要求的日益提高、电路功能的日益强大、电路尺寸的减小以及设计周期的持续缩短，传统的设计方法已经远远不能满足微波电路的设计需求。人们逐渐用微波、射频EDA软件代替传统的手工设计方式。各种微波元器件与系统的设计软件在射频领域主要有Agilent公司的ADS软件、Ansoft公司的HFSS、Designer软件等。也有诸如Microwave Office（MO）软件、Ansoft Serenade软件、 CTS软件、Zeland软件、 XFDTD软件、Sonnet软件等软件。Microwave Office软件是AWR公司发行的通过模拟器进行模拟和仿真的微波电路平面设计软件
8、。该设计套件提供了业界最强大、最灵活的射频/微波设计环境。该套件可对所有微波/射频相关产品进行设计和开发，包括单片微波集成电路（MMIC）、低温共烧陶瓷（LTCC）、混合微波集成电路（MIC）、射频集成芯片（RFIC）、多层印制电路板（PCB）、混合信号或高速数字信号的SI 分析。该套件基于统一的设计平台，实现了精度和速度的最优化，并提供前所未有的开放性和交互性，不仅易于使用，还能在设计过程的各个阶段整合业界一流的工具。该套件提供全面的微波/射频设计和分析功能，拥有先进的仿真技术，强大的自动电路提取技术，整合多种仿真工具，具有方便的参扫优化调谐功能。Microwave Office 旨在帮助设
9、计人员提高效率，缩短设计周期，并加速射频/微波产品上市。2.2 MO软件功能特色2.2.1 适合射频芯片、射频模块及PCB的集成开发环境通过 Microwave Office 一体化的设计和分析集成环境可建立完善的开发流程，可以对单片微波集成芯片（MMIC）、射频模块电路及印制电路板（PCB）进行高效的设计和分析。2.2.2 全面集成APLAC 先进的射频仿真技术 Microwave Office 在独有的开放式AWR 设计环境中整合了APLAC 卓越的RF 仿真技术和AWR 自带的强大仿真器，可将各种模块和非线性设计在一个整合的平台下进行强大而快速的仿真。APLAC 的线性、交流、噪声、谐波
10、平衡和瞬态仿真器均已集成，可进行精确的测量。AWR XML 库也可以使用APLAC 本地网表进行建模。利用APLAC 脚本语言丰富的编程能力，可轻松开发任何类型的模型。APLAC 的射频设计技术长期以来被广泛地用于诺基亚手机的设计，全球超过30%的移动电话射频集成电路（RFIC）使用该技术设计。2.2.3 拥有ACE自动电路提取技术Microwave Office 设计套件采用创新的ACE 电路提取技术，将复杂互连线的初始建模时间从几个小时神奇般地缩短为数秒钟。新技术可使设计人员在设计的初始阶段就建立互连线模型，尽早地发现和解决问题，从而大大减少将来重新设计所耗费的时间和开销。现状，用户可以抛
11、弃基于电路图的传统设计流程，而采用基于布局的模型进行电路提取。通过完善的机制，使结构的标记和分区自动存入预先设定的模型中，实现布局导向的仿真。2.2.4 集成强大的VSS RF Inspector仿真工具Microwave Office 集成了AWR 最新的VSS RF Inspector 技术，可以在集成环境中进行系统级的频域仿真。新工具可以帮助设计人员在系统级设计阶段中尽早发现潜在问题，从而大大缩短了设计周期，加速产品上市。用户可以找出射频链路互调分量的根本原因，包括混频、谐波、互调和噪声的影响。这使得用户可将有害的干扰进行隔离，从而改进整个射频系统的结构。2.2.5 提供AWR独有的Xm
12、odels模型AWR向有意于整合到Microwave Office环境的第三方EM软件商提供AWR Xmodels的开放接口。为了模拟不连续处的等效电路，Xmodels提供一组不连续模型，使用为确定不连续参数进行全波场分析得到的结果，以便表征不连续的电气性能。这些模型为用户提供了最精确的不连续模型，并可以相当快的速度进行优化、参扫和输出分析。AWR Xmodels已被证实是一个高效和可信的全波EM仿真的补充，不仅使得各种其它重要电路的分析在同一个平台下完成，而且在电路仿真精度上提供了重要的改进。2.2.6 为第三方提供EM Socket II接口AWR 建立EM Socket开放式标准接口，以
13、便实现对用户提供更灵活性设计的承诺。EM接口可以使用户在不退出Microwave Office的集成环境下进入多种主流的EM工具。EM操作和可视化特征曾经是AWR EMSight技术颇具价值的一部分，现在则是对第三方工具EM接口的一部分。这使得通过EM Socket可进入CST、Flomerics、Optimal、Sonnet、Zeland等工具中的动态电流和三维电磁场分布显示。2.2.7 完美整合EM和布局编辑器原先独立的EM 和布局编辑器如今已经合二为一，缩短了设计人员多学习一个编辑环境的时间，也减少了两个编辑器之间转换的工作量。Microwave Office提供新的时域波形测量以配合谐
14、波平衡仿真和时域仿真器，通用的眼图和时域波形图如今可以转化为熟知的参数。这些参数可以清晰地表征并用于优化、设计综合及输出分析。2.2.8 集成Nuhertz滤波器综合方案Microwave Office整合了业界领先的Nuhertz 滤波器综合技术。高频电路设计者可以在统一的AWR设计平台下快速而轻松地进行精确的滤波器综合。为无源和传输线滤波器提供完整的综合功能，提供两个图形化用户接口（GUIs），一个面向需要额外选项和功能高级用户，另一个则面向需要易用性的主流用户。直观的、方便的、向导式的GUI 使得偶尔接触滤波器的设计者只需短短几个步骤就可以得到所有常见滤波器和双工器结构的综合及规格尺寸。
15、对于高级用户，只需点一下鼠标就可以进入全面的Nuhertz GUI，为细节分析、设计综合及制造权衡快速生成数据。综合电路图和相关的分析随后可直接在AWR 设计平台存储并浏览。2.2.9 高速SiP和模块设计的理想平台Microwave Office是唯一一个明确支持SiP和模块共存设计的射频/微波设计平台。在所有的层次和构成上，多种技术实时共同作用，同时产生版图，同时进行仿真。不管是MMIC、IC、模块、SiP还是PCB，无需典型的布局单元或仿真行为模型。更重要的是，AWR独有的BWIRES模型，内含逼真的三维EM和IC封装的调谐及优化功能，使得共存设计成为现实而不仅仅只是“纸上谈兵”。3 功
16、分器的分类、原理3.1 功分器的分类：功分器从结构上分为两大类：(一)无源功分器，它的主要特点是：工作稳定，结构间单，基本上无噪声；而它的主要缺点是接入损耗太大。(二)有源功分器由放大器组成，它的主要特点是:有增益，隔离度较高，而它的主要缺点是有噪声，结构相对复杂一些，工作稳定性相对较差。功分器输出的端口有二功分，三功分，四功分，六功分，八功分，十二功分。 下面对几种常见的微带功分器进行分析与对比：一、微带分支线定向耦合器微带分支线定向耦合器的结构如图1所示，它由两根平行导带组成，通过两条分支导带实现耦合，分支导带的长度及其间隔均为四分之一线上波长。理想情况下端口1输入无反射，输入的功率由2、3端口输出，端口4无输出，即1、4端口相互隔离。由微波理论中的奇偶模分析法可以计算出，对于功率平分
