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1、分类号: TN455 密 级：公 开成都信/12A工程学院U D C：D10621-408 （2008）-0532-0编 号： 2004022281学位论文C波段1分3功分器的设计与仿真论文作者姓名： 申请学位专业： 申请学位类别： 指导教师姓名（职称） 论文提交日期：向磊电子信息工程工学学士唐军2008年06月15日C波段1分3功分器的设计与仿真摘要随着现代电子和通信技术的飞跃发展，信息交流越发频繁，各种各样电子 电气设备已大大影响到各个领域的企业及家庭。在微波通信领域，随着微波技 术的发展，功分器作为一个重要的器件，其性能对系统有不可忽略的影响，因 此其研制技术也需要不断的改进。本文首先对
2、功分器的基本理论、性能指标作了简单介绍，然后阐述了一个 具体的 C 波段一分三功分器的设计思路和过程，并给出了设计的电路结构、仿 真结果、生成了相应的 Layout 图，最后制作了版图。本文还用到了 ADS 和 Aut oCAD，在功分器的具体电路结构建模、仿真优化和版图的生成上如何应用， 在设计过程中文中都作出了相应的说明。关键词： 插入损耗； 隔离度；带内波动The Design And Simulation Of The C-Band1 Into 3 Power SplittersAbstractWith the leap development of the modern electr
3、onic and communication technology and the more and more frequent information exchange, various kinds of electrical and electronic equipments have greatly affected business and home in alldomains. In the field of microwave communication, along with the development of system can not be overlooked, so
4、the development technology needs continuously improved.microwave technology, as a key device, the influence of the srmplaintceetrosperfoIn this paper, the basic theory and the performance indicators of the splitters are simply introduced, and then the design idea and process of a specific C-band 1 i
5、nto 3 splitters are expatiated. The circuit structure, the simulation results and the Layout chart are also givn. Finally, the Territory is made. ADS and AutoCAD are also used in the design. How to use them in the specific circuit modeling, simulation, optimization and Territory formation are corres
6、pondingly described in the paper.目录论文总页数：21页1. 引 言 11.1 功分器设计背景 11.2 国内外研究现状 11.3 本课题研究内容 42. 功率分配器基本理论 42.1 功率分配器的分类情况 42.2 常用的功率分配器间的区别 42.3 功分器的基本原理 42.3.1 四分之一波长变换器 42.3.2 功分器的原理 73. 功分器性能参数概念介绍 123.1 输入驻波比 123.2 频率范围 123.3 承受功率 123.4 插入损耗 123.5 隔离度 133.6 平衡 133.7 S 参数 134. 功分器的设计 135. 观察仿真曲线 15
7、5.1 调出仿真结果 155.2 观察仿真曲线 155.3 版图的生成 17结论 18参考文献 19致谢 20声明 211. 引 言1.1 功分器设计背景 功分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网 络，它广泛应用于雷达系统及天线的馈电系统中。功分器按照其功率分配比有 相应的设计公式可较为容易的实现。等分功分器按其分配支路的数量可分为 2n+1 （奇）等分和2n （偶）等分两类。后者的设计方法相对简单，只需要在最 基本的一分二功分器上再等分即可。对于奇等分功分器，通常惯用的设计方法 是先2 （n+1）等分，然后其中一路加负载，这种设计方法虽然简便，可是有着 结构受限，接负载
8、端容易影响其它端口相幅的一致性，并且插损较大。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。在射频电路和测 量系统如混频器、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7。在通讯设备中，功分器有着非常广泛的应用，例如在相控阵雷达系统中， 要将发射机功率分配到各个发射单元中去。实际中常需要将某一功率按一定比 例分配到各分支电路中。功分器种类繁多，常见的功分器有变压器式 、微带式 或带状线式 、波导式和铁氧体式，它们各有优缺点和使用场合1。1.2 国内外研究现状 功率分配器作为一种低耗的无源器件广泛应
9、用于微波毫米波系统，其功能 是将输入功率分配到各个支路中。近年来，采用集成型的平面传输线设计的功 率分配器得到了快速的发展。在天线阵技术的馈电网络中，功率分配器可将功 率分配到各个阵列单元。功分网络中布线的设计质量直接影响整个天线的性能， 在实际设计中应考虑体积的小型化、相位、驻波、各端口的匹配和加工精度等 问题，目前的文献大都是针对小型的1-2功分网络。功分器可以采用腔体和微带的方法。腔体插损较小，功率容量较大，不过 隔离度不好，但插损和平衡度较好；而微带线设计方法就比较灵活，最简单的 可以在输出端口加单向铁氧体，为了减小体积，提高性能，目前最通用的还是 Wilkinson 功率分配器的设计
10、思想。微带功率分配器有简单和混合型两类。在平面型微波集成电路中，直接分 成多路输出的只有简单的功率分配器才能实现，其加工工艺简单，但输出端不 匹配，各路输出之间隔离很小，工作频带较窄。混合型功率分配器，由于平面 电路上要对称地安置几个隔离电阻在结构上有困难，故一般只能做成两路功率 分配器，最多不超过三路，但它改善了输出端的匹配，又增大了各输出端口之 间的隔离。混合型多路功率分配器通常是用数个两路功率分配器级联而成 1。 另外可用作功率分配器的有微带线定向耦合器和环形电桥，但是它们一般并不 称为功率分配器，因为一个功率分配器应该只有信号的输入端口和输出端口， 而不必有隔离端口。在微带功分器中，W
11、ilkinson功分器由于其自身结构的特点具有良好的特 性，是在毫米波微波大功率系统中应用最广泛的一种形式，其功率分配可以是 相等的或不相等的。 威尔金森功分器一般只应用于 X 波段以下频率，当频率 升高就会出现许多问题，比如隔离电阻相对于工作频率有一个谐振频率点，不 能再被看作是纯电阻，它的尺寸可与工作波长相比拟，不能再看作集总元件。 为了得到高频段的谐振频率，电阻尺寸必须很小，这就意味着功分器的两个分 支电路必须凑的很近才能与电阻相连，但这样又会引起输出两支路间的强耦合， 破坏了我们所要的功分比9。功分器现在有如下几种系列11：1、400MHz-500MHz 频率段二、三功分器，应用于常规
12、无线电通讯、铁路通 信以及 450MHz 无线本地环路系统。2、 800MHz-2500MHz 频率段二、三、四微带系列功分器，应用于GSM CDMA/PHS/WLAN 室内覆盖工程。3、 800MHz-2500MHz 频率段二、三、四腔体系列功分器，应用于GSM CDMA/PHS/WLAN 室内覆盖工程。4、1700MHz-2500MHz频率段二、三、四腔体系列功分器，应用于PHS/WLAN 室内覆盖工程。5、800MHz-1200MHz/1600MHz-2000MHz 频率段小体积设备内使用的微带二、 三功分器。这里介绍几种常见的功分器：一、威尔金森功分器我们将两分支线长度由原来的4变为3
13、14，这样使分支线长度变长，但 作用效果与X -4线相同。在两分支线之间留出电阻尺寸大小的缝隙，做成如图 1-1所示结构。图1-1 威尔金森功分器二、变形威尔金森功分器将威尔金森功分器进行变形，做成如图 1-2 所示结构。两圆弧长度由原来 的24变为314，且将圆伸展开形成一个近似的半圆。每个支路通过22传输 线与隔离电阻相连，这样做虽然会减小电路的工作带宽，但使输出耦合问题得 到了解决，而且可以用于不对称，功分比高的电路，隔离电阻的放置更加容易， 且两支路间的距离足够大，在输出口可直接接芯片。图1-2 变形威尔金森功分器三、混合环 混合环又称为环形桥路，它也可作为一种功率分配器使用。早期的混
14、合环是由矩形波导及其4个E-T分支构成的，由于体积庞大已被微带或带状线环形 桥路所取代。图 1-3 为制作在介质基片上的微带混合环的几何图形，环的平均 周长为3九；2，环上有四个输出端口，四个端口的中心间距均为九4。环路gg各段归一化特性导纳分别为a, b, c，四个分支特性导纳均为y。这种形式的0 功率分配器具有较宽的带宽，低的驻波比和高的输出功率。理论上来说，它的 带宽可以同威尔金森功分器相比。混合环功分器相对威尔金森功分器的优点在 于，在实际应用中它在高频率上的性能更好一些。图1-3 混合环对比以上三种功分器，首先对比威尔金森功分器及变形威尔金森功分器 变形威尔金森功分器性能与仿真结果相
15、差较大，其原因可能有以下几点：加入 两个1/2波长微带线，引入了 T型接头，使微带线产生不连续性；为了保证两12 波长微带线之间的距离正好可以焊接电阻，两微带线均倾斜，使焊接电阻处微 带不均匀，另外电阻焊接的非对称性影响了功分器输出两端的功分比9。威尔金森功分器和混合环的插损性能较好，可以满足一般功率合成的要求。 在隔离方面，威尔金森功分器隔离较好，混合环的隔离要稍差。从上述三种功分器分析可以得出：要获得具有良好性能的微波毫米波功分 器，需保证一定的加工精度，对加隔离电阻的功分器，要特别注意选择尺寸较 小的电阻，焊接时要求电阻两端对称，且从电阻反面焊接，也可以考虑使用薄 膜电阻来实现。这三种功分器都可以串联用作多路功率分配/合成器。1.3 本课题研究内容 本文主要是对微带功分器的研究,给出了功分器的设计实例,并且运用工具 软件进行仿真与优化，得到最优结果。本课题的具体内容是采用微带平面电路 结构设计一个工作在C波段、频率：34GHz、驻波：1.2、传输损耗：5.5dB、 隔离：20dB、带内波动：0.5dB的一分三功分器，并作出版图。2. 功率分配器基本理论2.1 功率分配器的分类情况
