第9章功率分配器的设计与仿真
Wilkinson功分器设计与仿真
图12：由原理图生成的功分器版图
2. 功分器版图的仿真
生成功分器的版图后，为观察功分器的性能，需要在版图里再 次进行S 参数的仿真。参数设置与前面S参数仿真类似。本次功分器 版图的仿真结果如图13所示。可以看出能满足设计指标的要求。
2.功分器的技术指标
1.输入端口的回波损耗 输入端口1 的回波损耗根据输入端口1 的反射功率和输入功率之 P 比来计算: C 10Log P 20Log S 2.插入损耗 输入端口的插入损耗根据输出端口的输出功率与输入端口1 的输 入功率之比来计算：
r i 11 11
以上几点就是本次选题的意义所在
二 功分器的工作原理和技术指标
1.基本工作原理
功率分配器是三端口电路结构，其信号输入端的输入功率为P1， 而其它两个输出端的输出功率分别为P2及P3。理论上，由能量守恒 定律可知：P1=P2+P3。若P2P3并以毫瓦分贝（dbm）来表示三端口 之间的关系，则可以写成：P2=P3=P1-3（dbm）。
a) H=0.8 mm，表示微带线介质基片厚度为0.8mm。 b) Er=4.3 mm，表示微带线介质基片的相对介电常 数为4.3。 c) Mur=1，表示微带线介质基片的相对磁导率为1。 d) Cond=5.88E+7，表示微带线金属片得电导率 5.88E+7。 e) Hu=1.0e+033mm，表示微带电路的封装高度为 1.0e+033mm。 f) T=0.03mm，表示微带线金属片得厚度为0.33mm。 g) TanD=1e-4，表示微带线的损耗角正切为1e-4。 h) Roungh=0mm，表示微带线的表面粗糙度为0mm。 完成设置的MSUB控件如图7所示：
2.建立工程与设计原理图
功分器的设计
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4λ变为43λ，这样使分支线长度变长，但作用效果与4λ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4λ变为43λ，且将圆伸展开形成一个近似的半圆。
每个支路通过2λ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 23g λ，环上有四个输出端口，四个端口的中心间距均为4g λ。
环路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0Y 。
这种形式的功率分配器具有较宽的带宽，低的驻波比和高的输出功率。
第9章功率分配器的设计与仿真(上)
1第9章 功率分配器的设计与仿真以及，分别放置在原理图区中。
选择画线工具按照图9-10所示将电路连接好，并双击每个元件设置参数。
（3）滤波器两边的引出线是特性阻抗为50欧姆的微带线，它的宽度W 由微带线计算工具得到。
∙ 点击菜单栏【Tools 】→【LineCalc 】→【Start Linecalc 】，出现新窗口，如图9-11所示 ∙ 在窗口的“Substrate Parameters ”栏中填入与MSUB 中相同的微带线参数 ∙ 在“Component Parameters ”栏中填入中心频率1GHz ∙ “Physical ”栏中的W 和L 分别表示微带线的宽和长∙ “Electrical ”栏中的Z0和E_Eff 分别表示微带线的特性阻抗和相位延迟 ∙ 点击“Synthesize ”和“Analyze”栏中箭头， 完成W 、L 与Z0、E_Eff 间的换算∙ 计算过程中，出现另一个窗口显示当前运算状态以及错误信息图9-10 Wilkinson 功分器连接方式第9章 功率分配器的设计与仿真2图9-11 LineCalc 主界面填入Z 0=50 Ohm 可以算出微带线的线宽1.52 mm 。
填入Z 0=70.7 Ohm 和E_Eff=90 deg 可以算出微带线的线宽0.79 mm 和长度42.9 mm 。
（4）单击工具栏图标，在原理图中放置VAR 控件，双击该图标弹出设置窗口，依次添加微带线的W ，L ，S 参数，如图9-12所示。
∙ 在“Instance Name ”栏中填变量名称，Variable Value 栏中填变量的初值，点击按钮添加变量 ∙ 单击单击，弹出菜单，选择【Tuning 】选项卡，按钮设置变量的取值范围∙ Enabled/Disabled 表示该变量是否能被优化。
图9-12变量设置中间微带线长度L1及宽度W1为优化变量。
设L1初始值=15mm ，由于W1为微带线的宽度最窄只能取0.2mm ，最好取0.5mm 以上。
功率分配器
定义:功率分配器是一种将一路输入信号能量分成两路或多路信号能量输出的器件，也可反过来将多路信号能量合成一路输出，此时也可将称为合路器。
分类：功率分配器按照路数分为：2路、3路和4路及通过它们级联形成的多路功率分配器。
功率分配器按结构分为：微带功率分配器及腔体功率分配器。
根据能量的分配分为：等分功率分配器及不等分功率分配器根据电路形式可分为：微带线，带状线，同轴腔体分配器概述：常用的功率分配器都是等功率分配，从电路形式上来分，主要有微带线，带状线，同轴腔功率分配器，几者间的区别如下：（1）：同轴腔体功分器优点是承受功率大，插损小，缺点是输出端驻波比大，而且输出端口有很好的隔离，缺点是插损大，承受功率小。
（2）：微带线、带状线和同轴腔的实现形式也有所不同：同轴腔功分器是在要求设计的带宽下先对输入端进行匹配，到输出端进行分路；而微带功分器先进行分路，然后对输入端和输出端进行匹配。
分配原理：微带线、带状线的功分器设计原理是相同的，只是带状线的采用的是对称性空气填充或介质板填充，而微带线的主要采用的是非对称性部分介质填充和部分空气填充。
下面我们以一分二微带线功率分配的设计为例进行分图1：一分二功分器示意图在现有的通信系统中，终端负载均为50Ω，也就是说在分支处的阻抗并联后到阻抗结处应为50Ω。
如上图匹配网络，从输入端口看Ω==500Z Z in ，而Ω==50//21in in in Z Z Z ，且是等分的，所以1in Z =2in Z ，①处1in Z 、②处2in Z 的输入阻抗应为100Ω，这样由①、②处到输出终端50Ω需要通过阻抗变换来实现匹配。
功分器功率分析：我们知道，当从功率分配器的输入端加一功率，由于每一路间的信号是同幅同相的，而且理论上电路是完全匹配的，所以隔离电阻上无功率通过，也就是说不承受功率，所以功分器的功率容量主要根据插入损耗计算出在传输线上损耗的能量，从而计算出能够承受的最大功率即可。
功分器的设计
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4λ变为43λ，这样使分支线长度变长，但作用效果与4λ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4λ变为43λ，且将圆伸展开形成一个近似的半圆。
每个支路通过2λ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 23g λ，环上有四个输出端口，四个端口的中心间距均为4g λ。
环路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0Y 。
这种形式的功率分配器具有较宽的带宽，低的驻波比和高的输出功率。
功率分配器设计
論文研討： 洪子聖、吳建銘,” 無線通訊正交調制器之 單晶微波積體電路設計”,89年6月26日
報告人: 碩研通訊一甲 MA0S0109 徐子軒
摘要
研究方向：
設計一個正交調制器。
設計方法:
以LC 高通/低通濾波器的方式 製作 正交調 製器，損耗小且振幅平衡度佳。
89年6月26日 洪子聖、吳建銘”無線通訊正交調制器之晶微波積體電路設計” 國立中山大學 電機工程學系
89年6月26日 洪子聖、吳建銘”無線通訊正交調制器之晶微波積體電路設計” 國立中山大學 電機工程學系
90 度相位偏移器電路設計
在考慮 UHF 及VHF 頻段內擁有寬頻、準確的90 度
相位差之下，90 度相位偏移器將採用LC 高通/低通 通濾波器的設計方式。LC 高通/低通濾波器藉著LC 高通濾波器領先45 度的相位與LC 低通濾波器落後 45 度的相位實現準確的90 度相位移。
120MHz 正交調制器設計
• 120MHz 正交調制器是由一個相位差為 90 度的功率分配器與兩個雙平衡混波 器以及一個功率結合器所組合而成。 • 藉著相位差為90 度的功率分配器將LO 訊號均分為兩路而且彼此的相位相差90 度，再分別與IQ 訊號於雙平衡混波器 做各種數位調制，最後經由功率結合器 將兩路之已調制訊號結合。
89年6月26日 洪子聖、吳建銘”無線通訊正交調制器之晶微波積體電路設計” 國立中山大學 電機工程學系
雙平衡混波器電路圖
89年6月26日 洪子聖、吳建銘”無線通訊正交調制器之晶微波積體電路設計” 國立中山大學 電機工程學系
正交調制器之整合與測試
評估正交調制器性能的重要參數為 EVM 值、IQ 訊
89年6月26日 洪子聖、吳建銘”無線通訊正交調制器之晶微波積體電路設計” 國立中山大學 電機工程學系
功分器的设计与调试实验
4.6 微带线计算工具
15
微带线计算工具(续)
单击Synthesize按钮，在LineCalc计算窗口中显示计算结果如下
W=0.48mm，微带线宽度 L=24.33mm，微带线长度
LineCalc计算窗口如图
同理，计算特性阻抗为 50Ω的微带线宽度，参 数设置为
Z0=50Ohm 其余与前面一样
下图是一个等功率分配器，它由两段不同特 性阻抗的微带线组成，两臂是对称的。我们以这 种结构的功分器为例，介绍一下设计的过程。
10
功分器的设计（续）
设计指标： 工作频率1.6GHz~2.0GHz 工作频率内S11小于-20dB 工作频率内S21大于-3.1dB 工作频率内S22和S23小于-10dB 微带线基板的厚度为0.5mm 微带线基板的相对介电常数为4.2 各个端口传输线的特性阻抗采用50Ω
6
4.2 创建新的工程文件
点击File->New Project设置工程文件名称（本 例中为divider）及存储路径
点击Length Unit设置长度单位为millimet
7
创建新的工程文件（续）
工程文件创建完毕后主窗口变为下图
8
创建新的工程文件（续）
同时原理图设计窗口打开
9
4.3 功分器的设计
设置界面及设置完成的SP控件如图
22
4.9 优化目标的设置
在原理图设计窗口中选择优 化工具栏
选择优化设置控件 放置 在原理图中，双击该控件设 置优化方法及优化次数。
选择随机Random优化方法 （随机法通常用于大范围搜 索，梯度法则用于局部收敛）
优化次数选择50次 其余选项保持默认状态
观察仿真曲线（续）29 Nhomakorabea（五） 实验要求
Wilkinson功率分配器的仿真
实验一Wilkinson 功率分配器的仿真2013级电信2班20131305047 王庭哲一、实验目的1. 掌握功分器的原理及基本设计方法2. 学会使用仿真软件HFSS对功分器进行仿真3. 掌握功分器的实际制作和测试方法，提高动手能力力二、实验原理在微波电路中，为了将功率按一定比例分成两路或多路，通常使用功率分配器。
图1即为一个典型的带有负载是一分二微带型功率分配器电路图。
图1 微带功分器电路图当信号从端口1输入时，功率从端口2和端口3输出，只要设计恰当，输出可按一定比例分配，并保持电压同相，电阻R上无电流，不吸收功率。
若端口2或端口3稍有失配，则有功率反射回来，为电阻所吸收。
从而保证两输出端有良好的隔离，并改善输出端的匹配。
设端口3和端口2的输出功率比为k2，即同时由于端口1到端口2与端口1到端口3的线长度相等，故端口2的电压V2与端口3的电压V3相等，即V2=V3。
又因为端口2和端口3的输出功率与电压的关系为将式(2)代入式(1)中，得式中：Z2和Z3为端口2和端口3的输出阻抗，若选择可满足式(3)，为了保证端口1匹配，应有同时，考虑到则所以为了端口2与端口3隔离，即端口2或端口3的反射波不会进入端口3或端口2，可选在实际情况下，输出端口的阻抗也是Z0，因此，采用四分之一波长阻抗变换器，在端口2和端口3各加一段传输线，特性阻抗分别为如果是等功率分配器，则P2=P3，k=1，于是有三、实验步骤（一）HFSS建模过程1.新建工程power divider并设立参数2.绘出底板参数如图3.绘出地板4.在底板上添加微带线5.添加隔离电阻隔离电阻参数6.添加端口7.添加空气盒子盒子参数隔离电阻微带线地板空气盒子端口（从上至下分别为1,2,3）仿真设置四、实验结果及分析1.由一图可以看出曲线S(2,1)接近3dB，即S（2,1）基本满足要求2.由图二可知三个端口的匹配状况S(1,1) S(2,2) S(3,3)在理想状况下反射系数应为0即负无穷dB。
功率分配器设计范文
功率分配器设计范文第一章引言1.1课题背景随着电子设备的普及和功能的增强，对于电力供应的要求也越来越高。
在很多场合下，需要将一路电源供应分配到多个负载上，以满足不同设备的电力需求。
功率分配器正是为了满足这一需求而设计的一种电路。
它将输入的电源信号分为多个输出信号，并分配到各个负载上，实现了电源的有效分配和管理。
1.2设计目标本文的设计目标是设计一种高效可靠的功率分配器，其具体要求如下：1)输入电压范围广，能适应不同场合下的电源供应要求。
2)输出电流稳定，在负载不同的情况下，能保持稳定的输出电流。
3)具有过载和短路保护功能，能有效防止因负载变化或短路等原因导致的损坏。
4)整体电路简单、成本低，易于生产和维护。
第二章功率分配器设计原理2.1功率分配器工作原理2.2设计方案根据设计目标和功率分配器的工作原理，本文采用以下设计方案：1)输入端：选择适合电源工作电压范围的整流电路，将输入电压转化为稳定的直流电压。
2)输出端：采用多路输出的设计，通过控制开关管的开关状态，控制输出端口的高低电平，实现电源的多路输出。
3)控制电路：设计过载和短路保护电路，当负载过载或发生短路时，自动切断输出电路，以保护功率分配器和负载。
4)整体电路：整个功率分配器电路布局紧凑，采用常用元器件，生产和维护成本低。
第三章功率分配器的具体设计3.1输入端设计输入端的设计主要包括整流电路和稳压电路。
整流电路采用桥式整流电路，能够将交流电源转为直流电压。
稳压电路采用稳压二极管，使得输出电压可以在一定范围内保持稳定。
3.2输出端设计输出端的设计主要包括开关管的选型和控制逻辑电路的设计。
开关管选型时需要考虑负载的电流需求和耗能情况，以保证输出的稳定性和功耗的控制。
控制逻辑电路的设计需要根据需要配置多个开关管，以实现多路输出和控制。
3.3控制电路设计控制电路设计主要包括过载和短路保护电路。
过载保护电路通过感应输出端的电流大小，当输出电流超过设定值时，切断输出电路以保护负载和功率分配器。
第九章 功率分配器的设计与仿真
功分器
P2
3
P1
图9-1 功分器意图
P3
9.11主要技术指标
功分器的主要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、支路端口间的隔离带、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。 必须首先明确功分器的工作频率，才能进行下面的设计。 3 （2）承受功率
Lp 7.96nH Cs 4.5 pF
、 2.ADS 设计与仿真 （1）创建新项目 •启动ADS2009 •选择Main windows •菜单栏【File】→【New Project】，按照提示选择项目保存的路径和输入文件名 •点击 按钮创建新项目
•点击
，新建电路原理图窗口，开始设计功分器
（2）功分器电路设计 •在“Lumped-Components”类中，分别选择控件 在“Simulation -S_Param”类中，分别选择控件 ，放置到原理图中合适位置。 •在工具栏中单击 按钮，放置各端口接地，双击 修改属性，要求扫描频率从0.9GHz到1.1GHz，扫描步长为0.01GHz。功分器 仿真电路原理图如图9-4所示。
在功分器/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 任务来选择用何种传输线。 （3）分配损耗 主路到支路的分配损耗实质上与功分器的主路分配比Ad有关。其定义为
（9-4） 隔离度的测量也可按照这个定义进行。 （6）驻波比 每个端口的电压驻波比越小越好。
Aij 10lg
Pini Poutj
波导功率分配器仿真设计
Getting Started with HFSS: A Waveguide T-JunctionANSYS, Inc.275 Technology DriveCanonsburg, PA 15317Tel: (+1) 724‐746‐3304Fax: (+1) 724‐514‐9494General Information: AnsoftInfo@ Technical Support: AnsoftTechSupport@ October 2010 Inventory 0000002934The information contained in this document is subject to change with-out notice. Ansoft makes no warranty of any kind with regard to this material, including, but not limited to, the implied warranties of mer-chantability and fitness for a particular purpose. Ansoft shall not be liable for errors contained herein or for incidental or consequential damages in connection with the furnishing, performance, or use of this material.© 2010 SAS IP Inc., All rights reserved.ANSYS, Inc.275 T echnology DriveCanonsburg, PA 15317USAT el: (+1) 724-746-3304Fax: (+1) 724-514-9494General Information: AnsoftInfo@T echnical Support: AnsoftT echSupport@HFSS and Optimetrics are registered trademarks or trademarks of SAS IP Inc.. All other trademarks are the property of their respective own-ers.New editions of this manual incorporate all material updated since the previous edition. The manual printing date, which indicates the man-ual’s current edition, changes when a new edition is printed. Minor corrections and updates that are incorporated at reprint do not cause the date to change.Update packages may be issued between editions and contain addi-tional and/or replacement pages to be merged into the manual by the user. Pages that are rearranged due to changes on a previous page are not considered to be revised.Edition Date SoftwareVersion1May 200392June 2005103June 2007114Sept 2009125October 201013.0Getting Started with HFSS: A Waveguide T-JunctioniiiGetting Started with HFSS: A Waveguide T-Junctioniv Conventions Used in this GuidePlease take a moment to review how instructions and other useful information are presented in this guide.• Procedures are presented as numbered lists. A single bul-let indicates that the procedure has only one step.• Bold type is used for the following:- Keyboard entries that should be typed in their entiretyexactly as shown. For example, “copy file1” means totype the word copy, to type a space, and then to typefile1.- On-screen prompts and messages, names of options and text boxes, and menu commands. Menu commands areoften separated by carats. For example, click HFSS>Exci-tations>Assign>Wave Port.- Labeled keys on the computer keyboard. For example,“Press Enter” means to press the key labeled Enter.• Italic type is used for the following:- Emphasis.- The titles of publications.- Keyboard entries when a name or a variable must betyped in place of the words in italics. For example, “copy file name” means to type the word copy, to type aspace, and then to type a file name.• The plus sign (+) is used between keyboard keys to indi-cate that you should press the keys at the same time. For example, “Press Shift+F1” means to press the Shift key and the F1 key at the same time.• Toolbar buttons serve as shortcuts for executing com-mands. Toolbar buttons are displayed after the command they execute. For example,“On the Draw menu, clickLine” means that you can click the Draw Line toolbar button to execute the Linecommand.Getting Started with HFSS: A Waveguide T-Junction Getting HelpAnsys Technical SupportT o contact Ansys technical support staff in your geographical area, please log on to the Ansys corporate website, https:// . You can also contact your Ansoft account manager in order to obtain this information.All Ansoft software files are ASCII text and can be sent conve-niently by e-mail. When reporting difficulties, it is extremely helpful to include very specific information about what steps were taken or what stages the simulation reached, including software files as applicable. 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Set up the DesignOpen HFSS and Save a New Project . . . . . . . . 2-2 Rename the Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-3 Select a Solution Type . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-3 Set the Drawing Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-4 3. Create the ModelCreate the T-Junction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-2 Draw a Box . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-2Assign a Name to the Box . . . . . . . . . . . . . . . . 3-3Confirm the Material Assigned to the Box . . . . 3-4Increase the Transparency of the Box . . . . . . 3-4Assign a Wave Port to the Box . . . . . . . . . . . . 3-6Duplicate the Box . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-7Set Duplicates to Copy Boundaries . . . . . . . 3-7Duplicate the Box to Create the SecondSection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-7Contents-1Getting Started with HFSS: A Waveguide T-JunctionContents-2Duplicate the Box to Create the Third Section 3-9 Unite the Boxes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-10 Create the Septum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-12 Draw a Box . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-12Parameterize the Position of the Box . . . . . . . 3-13Modify the Dimensions of the Box . . . . . . . . . . 3-13Assign a Name to the Box . . . . . . . . . . . . . . . . 3-14 Subtract the Septum from the T-Junction . . . . . 3-15 4. Set Up and Generate SolutionsAdd a Solution Setup to the Design . . . . . . . . . . 4-2 Add a Frequency Sweep to the Solution Setup 4-2 Validate the Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-5 Analyze the Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-5 Move the Position of the Septum . . . . . . . . . . . . 4-6 Re-analyze the Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-6 5. Compare the SolutionsCreate a Rectangular Plot of S-ParameterResults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-2 Create a Field Overlay Plot . . . . . . . . . . . . . . . . 5-4 Modify the Position of the Septum . . . . . . . . . 5-4Create the Field Plot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-4 Animate the Field Overlay Plot . . . . . . . . . . . . . 5-7 Modify the Septum’s Position and Re-animate 5-8 Close the Project and Exit HFSS . . . . . . . . . . . . 5-9Introduction 1-1Getting Started with HFSS: A Waveguide T-Junction 1-2 Introduction About the T-JunctionThe waveguide you will create is T-shaped with an inductive septum.1 This type of structure is used to split an incoming microwave signal into two outgoing signals. The septumdivides the signal and directs it to the outgoing ports, while minimizing reflection at the signal’s point of entry .A signal at a frequency of 10 GHz enters the waveguide at Port 1 (see below) and exits at Port 2 and Port 3. The wave-guide’s transmission and reflection of the signal depends on the position of the septum.Expected ResultsWhen the septum is located centrally opposite Port 1, it divides the signal and directs it evenly towards the output ports, Port 2 and Port 3. The magnitude of S-parameters at the output ports is expected to be about 0.7. Incidental reflection is expected at Port 1.Moving the septum 0.2 inches closer to Port 2 reduces the transmission through Port 2 to about 0.1 and increases the transmission through Port 3 to about 0.9.T o determine if the results are as expected, you compareHFSS’s S-parameter calculations at each septum position on a 2D x-y plot. You also compare the E-field pattern at each sep-Port 3Port 1SeptumPort 2Getting Started with HFSS: A Waveguide T-Junction Introduction 1-3tum position by creating phase-animated field plots on themodel geometry . These comparisons will indicate if the fieldpattern changes as expected with the septum’s position.[1]“Parametrics and Optimization Using Ansoft HFSS,” Microwave Journal , Product Reviews, No-vember 1999.Getting Started with HFSS: A Waveguide T-Junction1-4 Introduction Using HFSS to Create and Improve the DesignAs you step through this Getting Started guide, you will be introduced to several key concepts:• There are numerous ways to perform most tasks. For example, several methods are presented for selecting and for assigning design parameter values.• There is no required sequence of events when creating a design. A convenient method for creating the T-junction will be demonstrated, but the design setup steps can be completed in any logical order.• You can quickly modify design properties at any time. For example, you can draw a box freehand, then specify its exact dimensions in the Properties window.• You can easily track modifications to your design in the history tree and the project tree. The branches provide access to setup dialogs, where you can modify designproperties.• You can modify the model view at any time. You will learn shortcut keys like Ctrl+D, which fits the model in the view window.• You can save time by parameterizing design properties.For example, you can assign a design variable to the sep-tum’s position. This enables you to quickly modify it and generate new results.• You can use HFSS’s extensive post-processing features to evaluate solution results. For example, the animationsyou create will help you visualize the difference in field pattern results for the two septum positions.Parameterizing is most effective when paired with Ansoft’s Optimet-rics software. Optimet-rics allows you to define and solve a series of variable val-ues within a range, called parametric anal-ysis. You can also per-form an optimization analysis, in which Optimetrics changes the design parameter values to meet a user-defined goal. Both of these capabilities are demonstrated in “Get-ting Started with Opti-metrics: Optimizing a Waveguide T-Junc-tion Using HFSS and Optimetrics.”Set up the Design 2-1Getting Started with HFSS: A Waveguide T-Junction 2-2 Set up the DesignOpen HFSS and Save a New ProjectA project is a collection of one or more designs saved in a sin-gle *.hfss file. A new project is automatically created when HFSS is launched. Open HFSS and save the default project by a new name.1 Double-click the HFSS 13 icon on your desktop to launchHFSS.A new project is listed in the project tree in the Project Manager window and is named Project n by default. Proj-ect definitions, such as material assignments, are stored under the project name.2 Click File>Save As .The Save As dialog appears.3 Use the file browser to locate the folder in which you want to save the project, (such as C:\Program Files\Ansoft\HFSS13.0\Projects), and then double-click the folder’s name.4Type Tee in the File name text box, and then click Save .The project is saved in the folder you selected to the file name T ee.hfss .If HFSS was alreadyopen and a defaultproject is not listed inthe project tree, adda new HFSS project:On the File menu,click New.Getting Started with HFSS: A Waveguide T-Junction Set up the Design 2-3Rename the DesignYou will now rename the default HFSS design in the project. The design is already listed in the project tree when HFSS opens. It is named HFSSDesign n by default. The 3D Modeler window appears to the right of the Project Manager .1 T o rename the design: Right-click HFSSDesign n in the project tree, and then click Rename on the shortcut menu.2 Type TeeModel , and then press Enter .Select a Solution TypeAs you set up the design for analysis, available settingsdepend on the solution type. For this design, you will choose Driven Modal as the solution type, which is appropriate when calculating mode-based S-parameters of a passive, high-fre-quency waveguide that is being “driven” by a source. 1 T o specify the design solution type, click HFSS>SolutionType .The Solution Type dialog appears.2 In the Solution Type dialog box, select Driven Modal , and3D Modeler Window ProjectManagerWindowHistoryTreeTo automatically expand the project tree when an item is added to the project: Click Tools>Options > General Options . Under Project Options , select Expand Project Tree on Insert .If the ProjectManager doesnot appearafter you inserta new design,clickView>ProjectManager .Getting Started with HFSS: A Waveguide T-Junction2-4 Set up the Designthen click OK.Set the Drawing UnitsT o set the units of measurement for drawing the geometric model.1 Click Modeler>Units.The Set Model Units dialog appears2 Select in from the Select units pull-down list, and thenclick OK.The Rescale to new units option in the dia-log changes the cur-rent units of all objects in the design to the new units. For example, 1 mm would become 1 in.Create the Model 3-1Getting Started with HFSS: A Waveguide T-Junction 3-2 Create the ModelCreate the T-JunctionThe T-junction is made up of three joined box objects. First you will draw a box that represents one section of the tee. You will assign it a name, confirm its material assignment, and assign a wave port to one of its faces.You will then duplicate the box two times to create the sec-ond and third sections of the tee. Last, you will unite the three sections to create the complete T-junction.Draw a BoxDraw a 3D box object to represent the first section of the tee. 1 Ensure the option Edit Properties of new primitives isselected in T ools->Options>Modeler Options->Drawing Tab .2 On the Draw menu, click Box.3 Find the coordinate fields at the bottom of the HFSS win-dow, labeled “Enter the box position,” and specify the base corner of the box as (0, -0.45, 0):a.Press Tab to move to the X text box in the status bar. b.Type 0 in the X box, and then press Tab to move to theY box.c.Type -0.45 in the Y box, and then press Tab .d.Type 0 in the Z box , and then press Enter .4 Specify the length and width of the box by entering a point relative in distance to the base corner: Type (2, 0.9, 0) in the dX , dY , and dZ boxes, and then press Enter .5 Specify the height of the box by entering a point on the z-axis relative in distance to the previously entered point: Type (0, 0, 0.4) in the dX , dY , and dZ boxes, and then press Enter .To move to the previ-ous coordinate box,press Shift+Tab .If you make a mistake,click TeeModel in theproject tree, and thenclick Undo on the Editmenu to undo designoperations. HFSS letsyou undo every com-mand performed sincethe last save.Getting Started with HFSS: A Waveguide T-Junction Create the Model 3-3The Properties window appears, with the Command tab selected, enabling you to modify the dimensions and posi-tion of the box.While the Properties window is open, you will use it to assign a name to the box, confirm its material assignment, and make it more transparent.Assign a Name to the Box Assigning a name to the box makes it easier to track modifica-tions you make to the design.1 In the Properties window, click the Attribute tab.2 Change the name of the box to T ee : Type Tee in the ValueIf you do not want theProperties dialog boxto appear after youdraw an object: ClickTools>Options>3DModeler Options . Inthe 3D ModelerOptions dialog, clickthe Drawing tab, andthen clear the Editproperty of new primi-tives option.Getting Started with HFSS: A Waveguide T-Junction 3-4 Create the Modeltext box in the Name row, and then press Enter .Confirm the Material Assigned to the BoxBy default, the material assigned to the box is “vacuum”. This is the material you will use for the T-junction. Confirm that vacuum is the value in the Material row so you do not need to change it.Increase the Transparency of the BoxIncreasing the box’s transparency makes it easy for you to dis-tinguish separations between other objects.1 Click the value in the Transparent row.The Set Transparency dialog appears.2 Move the slider until the transparency level is 0.4, and then click OK .3Click OK to close the Properties dialog.The first box object in the 3D Modeler window.It is selected by default when you exit the Properties window.The name T eewas assignedto the box.The commandsperformed onthe box aretracked in thehistory tree.To magnify the view ofthe port face, pressAlt+Shift while drag-ging the mousetowards the top of theview window. Drag themouse towards thebottom of the windowto zoom out.Assign a Wave Port to the Box Now you will assign a wave port to the face of the box that is parallel to the yz plane at x = 2. As part of the setup process, you will define an integration line, which is a vector that specifies the direction of the excitation field pattern at the port. These lines ensure that the field pattern is consistent at all ports. 1 Switch to face selection mode by pressing the shortcut key F .2 Click the face of the box that is parallel to the yz plane at x = 2, as shown to the right.3 Right-click the 3D Modeler window, and then click Assign Excitation>Wave Port on the shortcut menu.The Wave Port wizard appears.4 Type Port1 in the Name text box, and then click Next .5 Select New Line from the Inte-gration Line pull-down list.6 In the 3D Modeler window, select the start point of the vector, (2, 0, 0), by clicking the edge center at the bottom of the face. By default, the cursor should snap to this point, appearing as a triangle.7Select the end point (2, 0, 0.4) by clicking the edge centerThe face of the box that is parallel to theyz plane at x = 2.at the top of the face.The Wave Port dialog box reappears.8 To accept the remaining default settings, click Next.9 Click Finish.The assigned port.Duplicate the BoxNow you will duplicate the box to create the second and thirdsections of the T-junction. The attributes of the box will beduplicated along with its geometry, boundary assignments,and excitations, including wave port settings, can be dupli-cated along with the geometry if the option is set in the HFSSOptions dialog box. In this example, you will make sure thissetting is selected.Set Duplicates to Copy Boundaries1 Click Tools>Options>HFSS Options.2 Under the General tab of the HFSS Options dialog box,select Duplicate boundaries with geometry, and thenclick OK.Duplicate the Box to Create the Second SectionDuplicate the box 90 degrees around the z-axis to create thesecond section.1 Click Tee in the history tree to select the object.2 In the 3D modeler window, right-click to display the short-cut menu and select Edit>Duplicate> Around Axis.3 In the Duplicate Around Axis dialog box, select Z.4 Type 90 in the Angle box. A positive angle causes theobject to be placed in the counter-clockwise direction.5 Type 2 in the Total number box. This is the total numberof objects, including the original, that will be created.6 See that Attach to original object is not checked in thispanel.7 Click OK.The parent object, T ee, is duplicated, and the duplicate,named T ee_1 by default, is placed around the z-axis at a90-degree angle. The attributes of the parent object,including its dimensions, material, color, transparency,port, and integration line are duplicated with the box.Port1 was duplicated with the geometry of the box. Thenew port is named Port2 by default, which you can verifyunder Excitations in the project tree.8 Click OK to close the Properties dialog.9 Press Ctrl+D to fit the objects in the view window.Port2Save your project fre-quently: ClickFile>Save..The history tree showsthat the Tee objectwas duplicated and anew object, namedTee_1, was created.Duplicate the Box to Create the Third Section1 Duplicate the first box again using the same procedure,but this time, type -90 in the Angle box. A negative angle causes the object to be placed in the clockwise direction.2 Press Ctrl+D to fit the objects in the view window.The parent object, still selected, and its duplicates.Unite the BoxesNow you will unite the three sections to create the complete T-junction. Before doing this, you want to be sure that HFSS will not create copies of the original objects before joining them, so you will clear the “clone before unite” option in the 3D Modeler Options dialog box.1 Click Tools>Options>Modeler Options.The 3D Modeler Options dialog appears.2 Under the Operation tab, make sure the Clone toolobjects before uniting option is clear3 Click OK.4 Switch to object selection mode by pressing the shortcutkey O.5 Select the first box by clicking it in the view window.6 Hold the Ctrl key and click the second and third boxes.7 On the 3D Modeler menu, point to Boolean, and then clickUnite.The objects are united at the points of intersection. The new object has the same attributes as the first objectselected.The united object.Create the SeptumThe septum is a 3D box object that will be subtracted from the T-junction. When you draw the septum, you make its y position dependent on a variable.Draw a BoxThis time when you draw a box, you will draw it freehand, and then modify its dimensions and position in the Properties window.1 On the Draw menu, clickBox . 2 Draw an arbitrarily shaped box in the 3D Modeler window: Select a corner of the base rectangle, then select a second corner of the base rectangle, and then select a point on the axis perpendicular to the base rectangle.When you have selected the last point of the box, the Properties window appears, with the Command tabselected.Now you will assign the box’s exact position and dimen-sions.As a guideline, aim forthe first point to benear the coordinates(-0.45, 0, 0), the sec-ond point near(0.45, 0.1, 0), and thethird point near(0, 0, 0.4).Parameterize the Position of the BoxWhen you specify the box’s position, you will enter the fol-lowing expression for the y position: offset - 0.05, where off-set is the name of a variable you will define. Because the variable offset is not yet defined when you type it in the expression, the Add Variable dialog box appears, enabling you to define value for offset .When you specify the variable’s value, you must include its unit of measurement as part of the value.1 In the Properties window, under the Command tab, in thePosition text box, type -0.45in, offset - 0.05in, 0in and then press Enter .The Add Variable dialog box appears.2 Type 0in in the Value text box, and then click OK .You return to the Properties window.Now you will set the exact dimensions of the box.Modify the Dimensions of the Box1 In the Properties window, under the Command tab, type0.45 in the Xsize box.2 Type 0.1 in the Ysize box.3 Type 0.4 in the Zsize box.While the Properties window is open, you will assign a name to the box.Alternatively, youcould define the vari-able offset before youdraw the septum.Local variables can bedefined in the Proper-ties window, which isaccessed by right-clicking the design inthe project tree, andthen clicking DesignProperties .Assign a Name to the Box1 In the Properties window, click the Attribute tab.2 Type Septum in the Value text box in the Name row.3 Click OK.The septum object in the 3D Modeler window.Optionally, rotate the view to get a better view of the sep-tum object: Press Alt and drag the mouse in the direction you want to rotate the view.Getting Started with HFSS: A Waveguide T-Junction Create the Model 3-15Subtract the Septum from the T-Junction T o complete the model geometry , you will now subtract the septum object from the T-junction.1 Click Tee in the history tree to select the tee object.2 Hold down the Ctrl key and click Septum in the historytree to select the septum.3 On the Modelermenu, point to Boolean, and then click Subtract .The Subtract dialog box appears. Septum is listed in the Tool Parts list, and Tee is listed in the Blank Parts list, indicating that the septum object will be subtracted from the tee object.4 Make sure the Clone tool objects before subtractingoption is clear.5 Click OK .The septum is subtracted from the tee. The new object has the same attributes as the first object you selected, the tee object.The complete model geometry .Getting Started with HFSS: A Waveguide T-Junction 3-16 Create the ModelSet Up and Generate Solutions 4-1Getting Started with HFSS: A Waveguide T-Junction 4-2 Set Up and Generate SolutionsAdd a Solution Setup to the DesignSpecify how HFSS will compute the solution by adding a solu-tion setup to the design. In the solution setup, you will instruct HFSS to perform an adaptive analysis at 10 GHz. During an adaptive analysis, HFSS refines the mesh iteratively in the areas of highest error .1 In the project tree, under the T eeModel design, right-clickAnalysis , and then clickAdd Solution Setup on the shortcut menu.The Solution Setup dialog box appears.2Under the General tab, type 10 in the Solution Frequencytext box, and leave the default unit set to GHz .3 Leave the Maximum Number of Passes set to 6. This is themaximum number of mesh refinement cycles that HFSS will perform.4 Leave the default settings and clickOK .The solution setup is listed in theproject tree under Analysis . It isnamed Setup1 by default.You want HFSS to solve over a range of frequencies, so you will now add a frequency sweep to the solution setup.Add a Frequency Sweep to the Solution SetupA smooth frequency response is expected for this design, so you will select an interpolating frequency sweep. An Interpo-lating sweep estimates a solution for an entire frequency range. HFSS chooses the frequency points at which to solvethe field solution so that the entire interpolated solution lies within a specified error tolerance. The sweep is complete when the solution meets the error tolerance criterion or gen-erates the maximum number of solutions. The sweep is solved after the adaptive analysis is complete.1 Right-click Setup1 in the project tree, and then click AddSweep .To learn more aboutsolution parameters,see the HFSS onlinehelp.The adaptive analysis will be performed at the solution fre-quency, 10 GHz.For the frequencysweep, HFSS will usethe finite elementmesh refined duringthe adaptive solution.。
高分配比不等分功率分配器的设计与仿真
ｔ ｉ ｃ ｉ ｍｐ ｅ ｄ ａ ｎ ｃ ｅ ｓ ｉ ｓ ｏ ｎ ｌ ｙ ２ ． ７：１ ｉ ｎ ｔ ｈ ｉ ｓ ５：１ ｕ ｎ ｅ ｑ ｕ ａ ｌ ｐ ｏ ｗｅ ｒ ｄ ｉ ｖ ｉ ｄ ｅ ｒ ．ｃ ｏ ｍｐ ａ ｒ ｅ ｄ ｗｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｏ ｆ ５ ． ５ ：１ ｉ ｎ ｃ ｏ ｎ —
ｖｅ ｎｔ ｉ ｏ ｎａ ｌ ｄ ｉ ｖ ｉ ｄｅ ｒ ． Ｔｏ ｖ ｅ ｒ ｉ ｆ ｙ ｏｕ ｒ ｐ ｒ ｏ ｐ ｏｓ ｅ ｄ ｉ ｄｅ ａ，ａ ５ ：１ ｍｉ ｃ ｒ ｏ ｓ ｔ ｒ ｉ ｐ ｕｎｅ ｑｕ ａ ｌ ｐ ｏｗｅ ｒ ｄｉ ｖ ｉ ｄ ｅ ｒ ｏｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｎｇ ａ ｔ １ ． ３ ＧＨ ｚ
Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄｓ ： ｈｉ ｇｈ ｄ ｉ ｖ ｉ ｄ ｉ ｎｇ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ；ｕｎｅ ｑ ｕａ ｌ ｐｏ ｗｅ ｒ ｄｉ ｖ ｉ ｄ ｅ ｒ；ｉ ｍ ｐｒ ｏｖ ｅ ｍｅ ｎｔ ｆ ａ ｃ ｔ ｏｒ；ｍ ｉ ｃ ｒ ｏ ｓ ｔ ｒ ｉ ｐ
第 ２期
２ ０ １ ３年 ４月
雷达 科 学 与 技 术
Ｒ ａｄａｒ Ｓｃｉ ｅｎ ｏｅ ａｎ ｄ Ｔ ｅｃｈ ｎｏｆ ｏ ｇｙ
Ｖｏ １ ．１ １ Ｎｏ ．２ Ａｐ ｒ ｉ １ ２Ｏ１ ３
高 分 配 比不 等 分 功 率分 配器 的设 计 与仿 真
芦 嘉 。张 春 荣
关 键 词 ：高分 配 比 ；不 等 分 功 分 器 ；改善 因子 ；微 带 线 中 图分 类 号 ： ＴＮ６ ２ ６ 文献 标 识 码 ： Ａ 文章编号 ： １ ６ ７ ２ — ２ ３ ３ ７ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ２ — ０ ２ ２ ３ — ０ ４
Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｎ ｄ Ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｏ ｆ ａ ｎ Ｕｎ ｅ ｑｕ ａ ｌ Ｐｏ ｗｅ ｒ Ｄｉ ｖ ｉ ｄ ｅ ｒ ｗｉ ｔ ｈ Ｈｉ ｇ ｈ Ｄｉ ｖ ｉ ｄ ｉ ｎ ｇ Ｒａ ｔ ｉ ｏ ０ ｎ Ｍｉ ｃ ｒ ｏ ｓ ｔ ｒ ｉ ｐ
威尔金森功分器设计
威尔金森功分器设计威尔金森（Wilkinson）功分器是一种被广泛应用于微波和射频电路中的功率分配器。
它可以将输入功率均匀地分配到多个输出端口上，同时保持相对较低的插入损耗和反射损耗。
该设计是由威尔金森在1960年首次提出的，至今仍被广泛使用。
威尔金森功分器的基本原理是利用两个负载和两个耦合器来实现功率的分配。
它的结构简单，由一个中央传输线和两个分支传输线组成。
中央传输线被连接到输入端口，而分支传输线则与两个输出端口相连。
两个耦合器被用来连接中央传输线和分支传输线，以实现功率的分配。
在威尔金森功分器中，输入功率通过中央传输线传输到两个分支传输线上。
在分支传输线的连接点处，耦合器将一部分功率耦合到负载上，同时将另一部分功率传输到另一个分支传输线上。
这样，输入功率就被均匀地分配到两个输出端口上。
为了保持较低的插入损耗和反射损耗，威尔金森功分器要求分支传输线具有相同的特性阻抗，并且耦合器能够实现理想的功率分配。
在实际设计中，可以使用微带线、同轴电缆或波导等不同的传输线类型来实现威尔金森功分器。
威尔金森功分器的设计需要考虑多个参数，包括特性阻抗、分支传输线的长度和宽度、耦合器的设计等。
通过合理选择这些参数，可以实现所需的功率分配比例和频率响应。
尽管威尔金森功分器在功率分配方面表现出色，但它也存在一些限制。
首先，它只能实现功率的均匀分配，不能实现不同比例的功率分配。
其次，威尔金森功分器的设计需要考虑较多的参数，对于频率较高的应用来说，设计和制造的难度会增加。
总之，威尔金森功分器是一种常用的功率分配器，广泛应用于微波和射频电路中。
它的设计原理简单，通过合理选择参数可以实现所需的功率分配比例。
然而，设计师在使用威尔金森功分器时需要考虑一些限制，以确保其性能和可靠性。
功率分配器的探讨及仿真
《 Ｎ 一 路混合功率》论文 中介绍 了一种 匹配度高 、 功
耗低 、 隔 离度 高 的 同相 ｘ端 口功 率 分 配器 ，学 术 界 称之 为威 尔金 森 功率分 配器 。它 的初 始模 型 采用 同 轴模 型 。 至此 ， 在带状 、 微 线 带 状功 率 分配 器 的结 构 上采 用 这种 技 术 。在 工 程应 用领 域 中 ， 往 往 采 用 微带 线结 构 。在 大 功率应 用 领域 中 ， 往 往 采用 空气 带状 线结 构 。
质量 及 重量上 都 １ ３ 显 重要 。
（ １ ） 无源功分器 。它的主要特点是 ： 工作稳定 ，
结构 简 单 ， 基 本上 无 噪声 ；而 它 的主要 缺点 是 接入
损耗 太 大 。
ｌ 功 率分 配器 简介
１ ． １ 功 率分配 器 的产 生与 发展
（ ２ ） 有 源 功分 器 。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
目前 ， 微波功分器 、 功分器 结构上分为两大类 ：
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
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ３ — ０ ６ 一 ） ， 男 ，山西长治人 ，工程 师 ， 研究方向 ： 应用电子技术。
山西大同大学学报 （ 自然科学版 ）
功分器是将一路输入信号分解成二路及二路以 上的输 出器件 ， 或将多路信号 的能量合成一路输
T型功分器的设计与仿真.
T型功分器的设计与仿真1.改进型威尔金森功分器的工作原理功率分配器属于无源微波器件，它的作用是将一个输入信号分成两个(或多个)较小功率的信号，工程上常用的功分器有T型结和威尔金森功分器。
威尔金森功分器是最常用的一种功率分配器。
图1所示的为标准的二路威尔金森等功率分配器。
从合路端口输入的射频信号被分成幅度和相位都相等的两路信号，分别经过传输线Bl和BZ，到达隔离电阻两端，然后从两个分路端口输出，离电阻R两端的信号幅度和相位都相等，R上不存在差模信号，所以它不会消耗功率，如果我们不考虑传输线的损耗，则每路分路端口将输出二分之一功率的信号。
图1威尔金森功分器但是这种经典威尔金森等功率分配器有几个缺点:1、大功率应用的时候，要求隔离电阻的耗散功率大因此电阻的体积也会比较大2、如果功分器应用于较高的频段，波长就会与大功率电阻的尺寸相比拟，这样就需要考虑电阻的分布参数。
3、为了提高功分器性能，就要尽量减小Bl和BZ这两段传输线之间的藕合，因此在实际设计时，要求四分之一波长传输线Bl、BZ之间的距离较大，在低频应用时，由于四分之一波长较长，占用面积还是太大了，此外，四分之一波长传输线Bl、BZ的阻抗较高，因此线宽较细，制板的相对误差更大[24]。
为克服这些缺点，本文采用了一种改进型的威尔金森等功率分配器，如图2所示图2 改进型威尔金森功分器可以看到，它仅由四段传输线组成，没有隔离电阻。
传输线A 、Cl 、CZ 的特 征阻抗均为Z0。
传输线B 位于A 和Cl 、CZ 之间，它的电长度为四分之一波长， 特征阻抗为Z0/2。
从合路端输入的信号，通过传输线B ，被分成幅度和相位相等的的两路信号，分别经过传输线Cl 和C2到达分路端口一和二，在整个结构中，传输线B 起到了阻抗变换的作用。
从传输线A 、B 相接处向左看，输入阻抗为Z0。
从传输线B 与C1、C2相接处向右看，输入阻抗为Z0/2。
利用四分之一阻抗变换器的原理我们知道，传输线的特征阻抗为2/00Z Z ∙，即Z0/2。
Wilkinson功分器设计与仿真
图12：由原理图生成的功分器版图
2. 功分器版图的仿真
生成功分器的版图后，为观察功分器的性能，需要在版图里再 次进行S 参数的仿真。参数设置与前面S参数仿真类似。本次功分器 版图的仿真结果如图13所示。可以看出能满足设计指标的要求。
P C21 10Log 2 20Log S 21 Pi
P3 C31 10Log P 20Log S31 i
3.输出端口间的隔离度 输出端口2 和输出端口3 间的隔离度根据输出端口2 的输出功率 和输出端口3 的输出功率之比来计算：
S 21 P2 C 23 10Log P 20Log S 31 3
目录：
选题背景 功分器的工作原理和技术指标 功分器原理图的设计与优化 功分器的版图生成与仿真
一选题背景：
1. 什么是功分器
功率分配器是将输入信号功率分成相等或不相等的几路输出 的一种多端口的微波网络，广泛应用于雷达、多路中继通信机等 大功率器件等微波射频电路中。功率分配器又可以逆向使用作为 功率合成器，因此有时又称为功率分配/合成器。
2.建立工程与设计原理图
建立工程：这部分主要是对ADS软件的运用。 设计原理图：大致分为五个小的部分，输入端口，两个匹配分支和 两个输出端口。
a) 所用电路元件为“TLines-Microstrip”元件库中的：
： ：一般微带线 ：弧形微带线 ：微带T型结
: 微带基片
: 薄膜电阻
b) 在微带线器件面板中选择MLIN与MTEE插入原理图中，并用导线连接 起来，构成功率分配器的输入端口。双击MLIN、，在弹出的参数设 置窗口中设置MLIN的W=w1mm、L=5mm。用同样的方法设置MTEE的 W1=2mm，W2=w2mm和W3=w1mm。完成参数设置设计出来的输入端口电 路，输入端口的电路连接如图1 所示。
功分器的设计制作与调试
S参数仿真电路设置
在原理图设计窗口中选择S参数仿真的工具栏
选择Term 放置在功分器三个端口上，用来 定义端口1、2和3，点击 图标，放置三个 地，并按照下页图连接好电路。 选择S参数扫描控件 放置在原理图中，并设 置扫描的频率范围和步长，频率范围根据功分 器的指标确定。
S参数仿真电路设置（续）
仿真运算要进行数分钟，仿真结束后将出现 曲线显示窗口，观察S参数曲线，性能有不同 程度的恶化。
观察仿真曲线
版图的仿真
如果版图仿真得到的曲线不满足指标要求， 那么要重新回到原理图窗口进行优化仿真， 可以改变优化变量的初值，也可根据曲线与 指标的差别情况适当调整优化目标的参数， 重新进行优化。
在返回原理图重新优化时，要先使刚才打红 上叉的部件恢复有效，然后才能进行优化， 之后重复前面所述的过程，直到版图仿真的 结果达到要求为止。
（三） 功分器的技术指标
通带内各端口反射系数 通带内两输出端口间的隔离度 通带内传输损耗 通带内功分比 通带内相位平衡度
（四） 用ADS软件设计功分器
本节内容是介绍使用ADS软件设计功分 器的方法：包括原理图绘制，电路参数 的优化、仿真，版图的仿真等。 下面开始按顺序详细介绍ADS软件的使 用方法。
功分器的设计 制作与调试
（一） 实验目的
了解功率分配器电路的原理及设计方法。 学习使用ADS软件进行微波电路的设 计，优化，仿真。 掌握功率分配器的制作及调试方法。
（二） 实验内容
了解功分器的工作原理。 使用ADS软件设计一个功分器，并对其 参数进行优化、仿真。 根据软件设计的结果绘制电路版图，并 加工成电路板。 对加工好的电路进行调试，使其满足设 计要求。
下图是一个等功率分配器，它由两段不同特性阻 抗的微带线组成，两臂是对称的。我们以这种结 构的功分器为例，介绍一下设计的过程。
功分器的设计制作与调试
（六） 功分器电路的调试
对照设计的版图检查、测量加工好的电路板上各段微带线 的实际尺寸，并作记录。 将电阻焊到电路板上，并把电路板安装到测试架上。 按下面的测试框图用网络分析仪（型号为Agilent 8714ES） 对功分器的各项指标进行测试（网络分析仪的使用参照仪 器说明书）。功分器有三个端口，当任意两个端口接网络 分析仪时，第三个端口要接匹配负载。
功分器两边的引出线是特性阻抗为50欧姆的微带 线，它的宽度W可由微带线计算工具得到。 填入50 Ohm可以算出微带线的线宽1.52 mm。 填入70.7 Ohm和90 deg可以算出微带线的线宽 0.79 mm和长度42.9 mm(四分之一波长)。
设置微带器件的参数
双击每个微带线设置参数，W、L分别设为相 应的变量或常量，单位mm，注意上下两臂的 对称性。
版图的仿真（续）
为了进行S参数仿真还要在功分器两侧添加两个端 口，做法是点击工具栏上的Port 按钮，弹出port 设置窗口，点击OK关闭该窗口，在滤波器两边要加 端口的地方分别点击加上两个port。 电阻要替换成薄膜电阻 ，在 中选取，否则无法用矩量法进行仿真，注意薄膜电 阻的宽度要和连接的微带线一致，不要忘记在 substrate中的metallization layers中加入薄膜电阻 所在的层。
实验二 功分器的设计 制作与调试
（一） 实验目的
了解功率分配器电路的原理及设计方法。 学习使用ADS软件进行微波电路的设计， 优化，仿真。 掌握功率分配器的制作及调试方法。
（二） 实验内容
了解功分器的工作原理。 使用ADS软件设计一个功分器，并对其 参数进行优化、仿真。 根据软件设计的结果绘制电路版图，并 加工成电路板。 对加工好的电路进行调试，使其满足设 计要求。
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第9章 功率分配器的设计与仿真 章在射频/微波电路中， 为了将功率按一定比例分成两路或多路， 需要使用功率分配器 （简 称功分器）。
反过来使用的功率分配器是功率合成器。
在近代射频/微波大功率固态发射源 的功率放大器中广泛地使用功分器，而且通常功分器是成对使用，先将功率分成若干份， 然后分别放大，再合成输出。
在20世纪40年代，MIT辐射实验室（Radiation Laboratory）发明和制造了种类繁多的 波导型功分器。
它们包括E和H平面波导T型结、波导魔T和使用同轴探针的各种类型的功 分器。
在20世纪50年代中期到60年代，又发明了多种采用带状线或微波技术的功分器。
平 面型传输线应用的增加，也导致了新型功分器的开发，诸如Wilkinson分配器、分支线混合 网络等。
本章分析功分器的设计方法，并利用ADS2009设计中心频率为750MHz的集总参数比 例型功分器和中心频率为1GHz的集总参数等分型功分器，进而给出中心频率为1GHz分布 参数（Wilkinson）功分器的电路和版图设计实例。
【本章重点】 • 功分器的原理及技术指标 • 集总参数功分器的设计及仿真 • Wilkinson 功分器的设计及仿真9.1 功分器的基本原理一分为二功分器是三端口网络结构，如图 9-1 所示。
信号输入端的功率为 P1，而其他 两个端口的功率分别为 P2 和 P3。
由能量守恒定律 2 可知 1 功分器 P2 P 1= P 2+ P 3 （9-1） 3 P1 如果 P2（dBm）=P3(dBm)，三端口功率间的 P3 关系可写成 图 9-1 功分器示意图 P2（dBm）=P3(dBm)= P1（dBm）-3dB 当然，P2 并不一定要等于 P3，只是相等的情 况在实际电路中最常用。
因此，功分器可分为等分型（P2=P3）和比例型（P2=kP3）两种类 型。
9.1.1 主要技术指标功分器的主要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、支路端口间的隔离带、每个端口的电压驻波比等。
1第9章功率分配器的设计与仿真（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 先明确功分器的工作频率，才能进行下面的设计。
（2）承受功率 在功分器/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传输线。
（3）分配损耗 主路到支路的分配损耗实质上与功分器的主路分配比 Ad 有关。
其定义为Ad = 10 lgPin Pout（9-2）式中 Pin = kPout 。
例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。
（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产生的。
考虑输入端的驻波比所带来的损耗，插入损耗 Ai 定义为Ai = A − Ad（9-3）A 是在其他支路端口接匹配负载，主路到某一支路间的传输损耗，其为实测值。
A 在 理想状态下为 Ad。
在功分器的实际工作中，几乎都是用 A 作为研究对象。
（5）隔离带 支路端口间的隔离带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，这就是求支路之间有足够的隔离度。
在主路 和其他支路都接匹配负载的情况下，i 口和 j 口的隔离度定义Aij = 10 lg隔离度的测量也可按照这个定义进行。
（6）驻波比 每个端口的电压驻波比越小越好。
Pini Poutj（9-4）9.2 集总参数功分器设计及仿真9.2.1 等分型功分器根据电路使用元件的不同，功分器可分为电阻式和 L-C 式两种类型。
1. 电阻式电阻式电路仅利用电阻设计，按结构分成Δ形和 Y 形，图 9-2 所示。
29.2 集总参数功分器设计及仿真(a) Δ形(b) Y 形 图 9-2 电阻式功分器图 9-2 中 Z0 是电路特性阻抗，在高频电路中，不同频段的特性阻抗不同。
这种电路的 优点是频宽大，布线面积小，设计简单；缺点是功率衰减较大（6dB） 。
如图 9-2（b）所示， 设 Z0=50 ，则U0 =14 2 U1 = U1 23 3 3 U2 = U3 = U0 4 1 U 2 = U1 2 U 20 lg 2 = −6dB U12. L-C 式这种电路利用电感及电容进行设计。
按结构分成低通型和高通型两种类型，如图 9-3 所示，下面分别给出其参数的计算公式。
(a) 低通型(b) 高通型图 9-3 L-C 式集总参数功分器（1）低通型Z0 2ω 0 1 CP = ω0 Z 0 ω 0 = 2πf 0 LS =（2）高通型（9-5）3第9章功率分配器的设计与仿真 ω0 2 Cs = ω0 Z 0 ω 0 = 2πf 0 LP = Z0（9-6）集总参数功分器的设计过程是先确定电路结构， 再计算出各个电感， 电容或电阻的值， 最后，按照确定的电路结构进行设计。
9.2.2 等分型功分器设计实例在 1 ± 0.02GHz 的范围内 S11 ≤ -14dB，S21 ≥ -4dB，S31 ≥ -4dB。
设计工作频率 f0=1GHz 的功分器，特性阻抗为 Z0=50 Ω ，功率比例为 k=0.5，且要求1.电路结构的选择及参数计算选择高通型 L-C 式电路结构如图 9-3（b）所示。
按照式（9-6）计算得 L p = 7.96nH ，C s = 4.5 pF 。
2.ADS 设计与仿真（1）创建新项目• 启动 ADS2009 • 选择 Main windows ，按照提示选择项目保存的路径和输入文件名 • 菜单栏【File】→【New Project】 • 点击 • 点击 按钮创建新项目 ，新建电路原理图窗口，开始设计功分器 、 、 ，在“Simulation-S_Param” ，修改属性，要求扫描频率从（2）功分器电路设计• 在“Lumped-Components”类中，分别选择控件 类中，分别选择控件 • 在工具栏中单击 、 按钮，放置各端口接地，双击 ，放置到原理图中合适位置。
0.9GHz 到 1.1GHz，扫描步长为 0.01GHz。
功分器仿真电路原理图如图 9-4 所示。
49.2 集总参数功分器设计及仿真Term Term1 Num=1 Z=50 OhmC L C1 L3 C=4.5 pF L=7.96 nH R=Term L Term2 L2 Num=2 L=7.96 nH Z=50 Ohm R=S-PARAMETERSS_Param SP1 Start=0.9 GHz Stop=1.1 GHz Step=0.01 GHz C C2 R C=4.5 pF R1 R=50 Ohm Term Term3 Num=3 Z=50 Ohm图 9-4 功分器仿真电路原理图（3）功分器电路仿真• 点击工具栏中 参数，点击 图 9-5 所示。
0 -2按钮进行仿真，仿真结束后会出现数据显示窗口 按钮，弹出设置窗口，在窗口左侧的列表里选择 S(1,1)即 S11 按钮后， 按钮，弹出设置单位(这里选择 dB) 窗口，点击两次• 点击显示窗口左侧工具栏中窗口中显示出 S11 参数随频率变化的曲线。
用同样的方法依次加入 S31，S21，得到波形图如m2-4m1 m1 freq=1.000GHz dB(S(3,1))=-3.062 m3 freq= 1.000GHz dB(S(1,1))=-13.626 m3dB(S(3,1)) dB(S(2,1)) dB(S(1,1))-6 -8 -10 -12 -14 -16 0.90m2 freq= 980.0MHz dB(S(2,1))=-3.9790.920.940.960.981.001.021.041.061.081.10freq, GHz图 9-5 功分器仿真曲线9.2.3 比例型功分器比例型功分器的两个输出端口功率不相等。
假定一个支路端口与主路端口的功率比为 k，可按照下面公式计算低通式 L-C 式集总参数比例功分器。
5第9章功率分配器的设计与仿真P3 = kP1 P2 = (1 − k ) P1 ZS Z 0 = 1− k 2 2 ZS Z =k P ZS = Z0 1− k（9-7）LS =Zsω01− k kZP = Z0CP =1 ω0 Z P其他形式的比例型功分器参数可用类似的方法进行计算。
9.2.4 比例型功分器设计实例设计工作频率 f0=750MHz 的功分器，特性阻抗为 Z0=50 Ω ，功率比例为 k=0.1，且要 求在 750 ± 50MHz 的范围内 S11 ≤ -10dB，S21 ≥ -2dB，S31 ≥ -12dB。
1. 电路结构选择及参数计算选择低 通型 L-C 式 电路结构 如 9-3 （a）所示 ，代入参 数计算得 Ls = 10nH ，C p = 1.4 pF 。
2. ADS 设计与仿真（1）创建新项目• 启动 ADS2009 • 选择 Main windows ，按照提示选择项目保存的路径和输入文件名 • 菜单栏【File】→【New Project】 • 点击 • 点击 按钮创建新项目 ，新建电路原理图窗口，开始设计功分器 、 、 ，在“Simulation-S_Param”（2）功分器电路设计• 在“Lumped-Components”类中，分别选择控件 类中，分别选择控件 • 点击 、 图标，放置两个地，双击 ，放置到原理图中合适位置 ，修改属性，要求扫描频率从 0.6GHz 到 0.8GHz扫描步长设为 0.01GHz，功分器仿真电路原理图如图 9-6 所示 69.3Wilkinson 功分器设计及仿真Term Term1 Num=1 Z=50 OhmC C1 C=1.4 pFL L1 L=10 nH R=C C2 C=1.4 pFTerm Term2 Num=2 Z=50 OhmS-PARAMETERSS_Param SP1 Start=0.6 GHz Stop=0.8 GHz Step=0.01 GHz L L2 L=10 nH R= Term Term3 Num=3 Z=50 OhmR R1 R=50 Ohm图 9-6 功分器电路图原理图（3）功分器电路仿真• 点击工具栏中 按钮进行仿真，仿真结束后会出现数据显示窗口 按钮，弹出设置窗口，在窗口左侧的列表里选择 S(1,1) 按 按钮弹出单位(这里选择 dB) 设置窗口，点击两次 • 点击数据显示窗口左侧工具栏中的 即 S11 参数，点击钮后，窗口中显示出 S11 参数随频率变化的曲线。