威尔金森功分器总结

Z 03 Z 0 (1 K 2 ) K 3 ;
R
(1 K 2 ) Z0 ” K
2. 威尔金森功分器技术指标 频率范围，中心频率 f0 和带宽 BW 频带内输入端口的回波损耗，C11 频带内的插入损耗，C21，C31 两个输出端口之间的隔离度，C23 二、正文 功分器的技术指标主要包括频率范围、端口电压驻波比或回波损耗、输入输出间的传输损耗、输出端 口间的隔离度。 1. ADS 仿真威尔金森功分器 1.1 技术指标如下图所示：
理论解释：参考【1】P228 “当信号从端口 1 输入时，功率从端口 2 和端口 3 输出。只要设计恰当，端口 2 和 3 的输出功率可以 按一定比例分配（P3 = K^2 × P2），同时端口 2 和 3 保持相同的电压（V3 = V2），电阻 R 中没有电流（不 消耗能量）。设计恰当要求：
Z 02 Z 0 K (1 K 2 ) ;
厚微带线示意图 由于是准 TEM 波，特性阻抗 Z0 = 1/（c_const*C_eff）W 越大，等效电容越大，阻抗越小；同理，epsilon 越大，阻抗越小；
微带结构中，端口 1，2，3 都接特性阻抗为 Zc=50 欧 微带线。分支两段线的长度为 lambda_g/4，特性 阻抗为 sqrt(2) * Zc。隔离电阻大小为 2*Zc。
注 ： W70 微 带 线 的 总 长 度 为 L+L1+L2 ，经计算对应的电长度 约为 90 degrees
layout 8）优化参数：通过设立优化求解器，建立优化目标后，通过不同的算法进行迭代，最终达到我们想 要的技术指标。具体步骤如下：
优化后结果为：
2. CST 仿真微带 Wilkinson 功分器 中心频率 f0 = 3 GHz，仿真带宽为 1-6 GHz； 采用聚四氟乙烯（防潮，膨胀系数，其他材料还有罗杰斯，FR4...），epsilon_r = 4.3 做基板，基板厚 度 h=0.8 mm；金属覆铜厚度 t 为 0.02 mm；（基板的参数在仿真前，先有厂商提供具体数值，epsilon_r,h,t， 损耗都在一定范围内波动）
模型建立完成后如下Leabharlann 所示：2.4 计算结果及分析：
加了隔离电阻（80 欧姆）之后的计算结果
加了隔离电阻（100 欧姆）之后的计算结果
加了隔离电阻（1000 欧姆）之后的计算结果
去掉了隔离电阻之后的计算结果
3. 加工流程 需要非常注意的是，仿真必须在了解了加工流程之后才能进行！！否则计算结果都是无用功而已。 3.1 制作 CAD 加工图 参考文献： 【1】 黄玉兰，“电磁场与微波技术”，人民邮电出版社 【2】 网络
具体实施步骤如下： 2.1 首先按照之前的计算结果，创建几何模型，示意图如下：
几何建模参数
2.2 由于在 CST 中添加开放导波系统波的波导激励端口，需要有一定的规则，这是由数值计算方法本 身决定的。具体如下所示：
我们这里选择的 k 分两种情况，端口 1 选择 k=4, 端口 2，3 则选择 k2=3。 接下来添加离散网络元件隔离电阻：选择两个点之后，点击 2.3 添加频率范围为（2，5）GHz，设置网格参数，选择自适应网格加密，开始计算。 即可。
3）
4）
5）画出原理图如下：
6) 原理图的仿真：通过添加 S 参数求解器 SP。对 SP 的设置如下所示：
计算结果如下图：
7) 生成版图： 注：在生成版图前需要关闭与生成版图无关的项目，否则生成会出现各种各样的 bug。 同时，生成版图可以帮助我们很快地检查出那些语法上的错误，如单位错误
这里：L = L1+L2+(W50)/2
图2
ADS 仿真时的技术指标
1.2 仿真流程： 1.2.1 创建项目和原理图
1.2.2 原理图建模 1）将 MUSB 插入原理图的画图区，在画图去双击 MUSB，弹出设置对话框，对微带线设置参数设 置如下：
2 ）在菜单中选择变量 VAR 空间，插入到原理图的画图区，双击空间 VAR ，分别设置四个变量 W50,W70，L1，L2，L3，L4，Lx，分别赋值为 8.2，4.6，11，12，4，13，5。这里取这些值的依据在于下 图所示：
图 1 理想 3dB 微带 Wilkinson 功分器示意图 端口 1 输入，端口 2 和 3 作为输出。中间粉色的为隔离电阻。 由于结构对称，各路信号经过的电长度相同，因此在输出端口处于相同的电位，此时隔离电阻不消耗 任何功率。假如信号由于某种原因在输出端口 2 处发生反射，则反射信号功率一部分经过隔离电阻 R 传至 输出端口 3，另一部分功率反射回输入端口，并在支线处再度分配，重新由两支路传输至两个输出端口。由 于阻抗变换线的长度为λ/4，则两路反射信号到达端口 3 时的电长度相差 180 度，所以在端口 3 处，两路信 号幅度相等、相位 相反，彼此相消，从而实现两输出端口之间的相互隔离。对于任意分配比的混合型功率 分配器，隔离电阻的作用相同。 隔离电阻的作用： “从隔离电阻那里开始走起,左右对称,每边都是 1/4 波长,信号走完这两个 1/4 波长 后到达隔离电阻的另一端,但这个时候,在隔离电阻两端信号的电压正好相反,一起走了 1/2 个波长,可以在隔 离电阻上消耗,这样到达另一个端口的信号就没什么了,起到了隔离的作用.”
从隔离电阻那里开始走起左右对称每边都是14波长信号走完这两个14波长后到达隔离电阻的另一端但这个时候在隔离电阻两端信号的电压正好相反一起走了12个波长可以在隔离电阻上消耗这样到达另一个端口的信号就没什么了起到了隔离的作用
Wilkinson 功分器
总结人：林毅 时间：20150908 摘要： 本文试图弄清楚威尔金森功分器的理论及设计结构。 前言部分介绍了威尔金森功分器的设计原理及技术指标的定义。 正文部分分别利用 ADS 和 CST 仿真了威尔金森功分器的结构。 一、前言 1. 什么是威尔金森功分器 功率分配器是将单路输入信号功率分成若干路输出的一种微波元件，属于微波多端口网络。功分器 可分为二进制和累进制等，功率可以是等分的，也可以是不等分的。二进制功分器在实际中应用比较多， 而 Wilkinson 功分器就是一种常见的二进制功分器。 单节变换的 Wilkinson 功分器工作频带较窄， 在中心频率时性能较好， 在频带边缘往往输入驻波比较 差。由于单节λ/4 阻抗变换器工作带宽为窄带，不能实现宽带功分器，因此常常采用多节阻抗变换器相级 联的方式来展宽工作频带。在多节阶梯式阻抗变换器中，若各阻抗阶梯所产生的反射波彼此抵消，便可以 使匹配的频带得以展宽。通常选择的枝节数越多，功分器的工作频带越宽，但是尺寸也越大，传输线的损 耗也会增加，所以选择合适的枝节数是关键。 二等分功分器是三端口网络，由于普通的无耗互易三端口网络不可能达到完全匹配，且输出端口间 无隔离，而工程上对端口之间的隔离要求较高，因此采用混合型的功率分配器，即威尔金森型(Wilkinson) 功分器。 Wilkinson 功率分配器有三端口网络构成，如下图 1 所示：