功分器的设计和定偶设计及阻抗匹配3

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实验2功分器的设计制作与调试

未来发展趋势预测
1 2
高性能需求
随着无线通信技术的不断发展，对功分器等射频器件的性能要求将不断提高，如更低的插入损耗、更高的隔离度等。
集成化与小型化
为了满足现代通信设备对体积和重量的要求，功分器将朝着集成化和小型化的方向发展。
3
多功能融合
未来功分器可能不仅具备功率分配功能，还将融合其他射频处理功能，如滤波、放大等，实现多功能一体化。
03 设计制作步骤
设计方案选择
定向耦合器型功分器
采用定向耦合器结构，实现输入信号的等分或不等分分配，具有较宽的带宽和良好的幅度、相位平衡性能。
威尔金森功分器
基于四分之一波长变换器和隔离电阻的威尔金森功分器，实现输入信号的等分分配，具有较高的端口隔离度和回波损耗。
Gysel功分器
采用带状线或微带线结构，实现输入信号的等分或不等分分配，具有良好的宽带性能和较高的功率容量。
问题2ห้องสมุดไป่ตู้
功分器输出相位偏差较大。
解决方案
检查功分器的传输线长度和布局，确保传输线对称且长度一致。如有需要，可微调传输线长度以减小相位偏差。
问题3
功分器插入损耗较大。
解决方案
检查功分器的接口和连接线缆，确保连接紧固且接触良好。如有需要，可更换低损耗的连接线缆以减小插入损耗。
05 测试与结果分析
测试方案制定
测试目的
验证功分器的性能参数是否满足设计要求，包括输入/输出阻抗、插入损耗、分配损耗、隔离度等。
测试设备
网络分析仪、信号源、负载、同轴电缆等。
测试步骤
搭建测试系统，连接信号源、功分器和负载；设置网络分析仪参数，进行S参数测量；记录并分析测试结果。

功分器的设计和定偶设计及阻抗匹配

By Andrei Grebennikov
This series of articles concludes with an examination of directional couplers. Readers are reminded that all four parts can be downloaded from our Web site.
(49)
Z0 o = Z0
(50)
C=
(48)
A coupled-line directional coupler, the stripline single-section topology of which is shown in Figure 40(a), can be used for broadband power division or combining. Its electri18
Coupled-Line Directional Couplers
The first directional couplers consisted of either a two-wire balanced line coupled to a second balanced line along a distance of quarter wavelength, or a pair of rods a quarter wavelength long between ground planes [53]. Although the propagation of waves on systems of parallel conductors was investigated many decades ago—in connection with the problem of crosstalk between open wire lines or cable pairs in order to eliminate the natural coupling rather than use it—the first exact design theory for TEM (transverse electromagnetic) transmission-line couplers was introduced by Oliver [74]. In terms of the even and odd electric-field modes describing a system of the coupled conductors, it can be stated that the coupling is backward with the coupled wave on the secondary line propagating in the direction opposite to the direction of the wave on the primary line, the directivity will be perfect with VSWR equal to unity if Z02 = Z0eZ0o at all cross sections along the directional coupler, and the midband voltage coupling coefficient C of the directional coupler is defined as Z0 e − Z0 o Z0 e + Z0 o

功分器设计--基本理论

Z 2Z0 70.7
并联电阻为 R = 2Z0 = 100
在频率f0传输线长为/4。采用微波电路分析中的机辅设计程序，可算出S参量幅度，并且绘在图5-40上。
图5-40 等分微带功分器的频响
微带功分器（Wilkinson功分器）设计 9
2．功率不等分
微带型功分器亦可做成功率不等分的，微带图形如图5-41所示，如端口3和2
பைடு நூலகம்
这两种模式。
图5-37 归一化、对称形式的Wilkinson功分器
微带功分器（Wilkinson功分器）设计 5
（1）偶模对偶模激励，Vg2 = Vg3 = 1V，所以V2 = V3，没有电流流过r/2电阻或端口1两根传输线入口之间连接处。因此，我们可将图5-37的网络对分，在这些点具有开路终端，以得出图5-38（a）的电路（/4线的接地边没有示出）。这时，从端口2看入得到的阻抗为：
而S11=0。注意：当功分器在端口1激励，且负载匹配时，电阻上没有功率损耗。因此，当输出匹配时，功分器是无损耗的；只有从端口2和3来的反射功率消耗在那电阻上。
图5-39 用于导出S11的微带功分器分析
微带功分器（Wilkinson功分器）设计 8
设计一个频率为f0、用于50系统阻抗的等分微带功分器，并且绘出回波损耗S11、插入损耗（S21 = S31）和隔离度（S23 = S32）与频率（从0.5f0到1.5f0）的关系曲线。解：由图5-36和上述的推导，功分器中的/4传输线应具有的特性阻抗为
图5-41 用微带形式的功率不等分功分器
微带功分器（Wilkinson功分器）设计 10
3. N路功分器或功率合成器如下图5-42所示，这电路可使所有端口匹配，且使所有端口隔离。但是，缺点是当N3时，功分器要求电阻交迭。这导致较难以用平面形式制作。功分器亦可用多级阶梯阻抗变换形式制作，以拓宽带宽。四节功分器的实际结构表示在图5-43上。

微波工程-第7章功率分配器与定向耦合器

2 2 2 2 2 2
对称定向耦合器（7.5，7.6）
1 1 1
S13 S 23 S14 S 24 0 S12 S 23 S14 S 34 0 S14 S13 S 24 S 23 0
反对称定向耦合器（7.8）
* 耦合传输线型理想定向耦合器的三种类型——正向、反向和
定向耦合器等效成四端口网络
S11 S 21 S S31 S 41 S12 S 22 S32 S 42 S13 S 23 S33 S 43 S14 S 24 ——16x2个自由度 S34 S 44
微波工程基础第七章功率分配器和定向耦合器理想定向耦合器的散射参数
微波工程基础第七章功率分配器和定向耦合器各端口都匹配的无耗非互易三端口网络——环形器
网络是匹配的网络是无耗的
2
三端口网络（T型结）
任意三端口网络的散射参数——9x2个自由度（参数）
S11 S S 21 S31 S12 S 22 S32 S13 S 23 ——9x2个自由度（参数） S33
Wilkinson等分功率分配器，奇偶模分析法
S12 (S13)
e 偶模 V1 jV0 2
求Z,r
S11=0 可算出 Z 2 Z 0
V2e V0
S22 0
S12 (S13)
r 2 ？:保证奇模S22为0
奇偶模分析法思想？
要点：1、偶+奇=单端口分析 2、所有端口加匹配负载 2、支路串联结构
S13 S 31 S 22 0
2 2 2
S11 0
S 22 0
S 33 0
——6x2个自由度

四.功分器和定向耦合器的设计

• 耦合度：耦合端口3输出功率P3和输入端口1输入功率P1之比：
C10logP P1320logS31
dB[S(3,1)]
• 隔离度：隔离端口4的输出功率P4和输入端口1的输入功率P1之比：
I10logP P1 420logS41 dB[S(4,1)]
定向耦合器的基本原理
• 8-16GHz倍频程内定向度： S41/S31<-17dB
• 8-16GHz倍频程内隔离度： S41<-20dB
定向耦合器的仿真设计
建立耦合器设计的电路原理图
耦合端口
输入端口
直通端口
隔离端口
/4;f012GHz
定向耦合器的仿真设计
建立耦合器设计的电路原理图
耦合端口
输入端口
直通端口
功分器的设计、仿真、优化
设置完成的功分器电路图
功分器的设计、仿真、优化
开始仿真全频段内隔离度未达指标，并且平坦度较差，需优化
功分器的设计、仿真、优化
电路优化
• 对阻抗匹配电路的优化---优化变量w2，lh
功分器的设计、仿真、优化
电路优化
• 优化仿真器和优化目标的设置—由于电路对称性，S(3,1)和S(3,3)不需优化
dB[S(2,1)]
C1310logP P 3 i 20logS13
dB[S(3,1)]
功分器的基本原理
功分器的基本指标
• 输出端口间的隔离度：根据输出端口2的输出功率P2与输出端口3的输出功率P3之比计算
• 功分比：
C2310logP P2 320logS S1 12 3
• 定向耦合器属于无源微波器件，为四端口器件，分为：
隔离
耦合

实验三功分器的设计制作与调试

36
功分器电路的调试(续)
需要测试的参数主要有以下几个
S11,S22,S33:输入,输出端口的反射系数 S21,S31:正向传输系数,要测幅度及相位 S23,S32:两输出端口的间隔离度
根据S21,S31的幅度和相位可以得到两个输出端口的功分比以及相位平衡度.
37
功分器电路的调试(续)
观察网络分析仪测量的结果是否达到指标要求并与前面仿真的结果做比较. 把实际测量的电路尺寸置于ADS软件中进行仿真,把结果与实际测量结果相比较. 如果测试结果与设计要求相差过多,则需对电路进行调整,直至重新进行设计, 制版.
22
观察仿真曲线
优化完成后必须关掉优化控件,才能观察仿真的曲线.方法是点击原理图工具栏中的按钮,然后点击优化控件 OPTIM,则控件上打了红叉表示已经被关掉. 要想使控件重新开启,只需点击工具栏中的按钮,然后点击要开启的控件,则控件上的红叉消失,功能也重新恢复了. 对于原理图上其他的部件,如果想使其关闭或开启,也可以采取同样的方法. 点击工具栏中的Simulate 按钮进行仿真, 仿真结束后会出现图形显示窗口.
10
生成功分器的原理图
在原理图设计窗口中选择微带电路的工具栏窗口左侧的工具栏变为右图所示选择微带线以及控件MSUB 分别放置在绘图区中选择画线工具将电路连接好, 连接方式见下页图(本图只是提供参考,还有其它形式可供选择.)
11
功分器的原理图示例
12
设置微带电路的基本参数
双击图上的控件MSUB设置微带线参数
14
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.
15

功分器设计原理

功分器设计原理嘿，朋友们！今天咱来聊聊功分器设计原理这档子事儿。

你说这功分器啊，就好比是一个神奇的分配大师。

想象一下，有一股力量，就像水流一样，要被均匀地分到不同的地方去，这就是功分器要干的活儿。

它是咋做到的呢？其实啊，就跟咱分东西一样。

比如说有一堆糖果，要分给几个小朋友，得保证每个小朋友都能拿到差不多的糖果数量，不能这个多那个少，对吧？功分器也是这样，要把输入的信号能量，合理地分配到各个输出端口。

这其中的关键就在于它的内部结构啦。

它就像是一个精心设计的迷宫，信号在里面走来走去，最后就被准确地分开啦。

这里面的线路啊、元件啊，都得搭配得恰到好处，就像拼图一样，缺了一块儿都不行。

而且哦，这功分器还得很稳定可靠呢！不能今天分好啦，明天就出岔子。

就好比你给小朋友分糖果，今天分对了，明天就乱分一气，那怎么行呢？所以啊，在设计的时候就得考虑各种因素，什么温度啦、湿度啦，都不能影响它的正常工作。

你说要是功分器设计得不好会咋样？哎呀，那可就麻烦啦！信号可能就不能准确地到达该去的地方，就像送快递送错了地址一样，那后果可不堪设想啊！再说说这功分器的种类吧，那也是五花八门的。

有等分的，有不等分的，就像分糖果，有的是平均分，有的是按需分配。

每种都有它自己的用处和特点，得根据实际情况来选择。

咱平时生活里不是也经常会遇到要分配东西的情况吗？这和功分器的原理其实差不多呢！只不过功分器是在信号的世界里工作罢了。

总之啊，功分器设计原理可真是个有意思的东西，它虽然看不见摸不着，但却在各种电子设备里默默地发挥着重要作用呢！没有它，好多设备可就没法正常工作啦。

所以啊，可别小看了这个小小的功分器，它可是电子世界里的大功臣呢！原创不易，请尊重原创，谢谢!。

功分器的设计与仿真

分类号：TN73 密级：公开
U D C：D10621-408-（2015）0544-0 编号：2011022006
成都信息工程大学学位论文
宽带 Wilkinson 功分器的设计
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：
叶建梅电子信息科学与技术工学学士夏运强 2015 年 5 月 22 日
关键词：宽带, Wilkinson 功分器, 奇偶模，仿真
I
The Design of the Broadband Wilkinson Power Dividers
ABSTRACT
Power divider divide one power into two or multiple branches .Traditional Wilkinson power divider bandwidth is very narrow,and often can not meet the application broadband systems.In order to improve the above problems, the article describe wideband power divider’s design. This article aims to research and analysis related components and working principle of power dividers. It describes the use of odd-mode analysis method of a Wilkinson N-way power divider .This Wilkinson power divider’s design have a wideband of 0.8 ~ 2.5GHz.The power divider requires its insertion loss less than 1dB, isolation greater than 20dB and the voltage standing wave ratio (VSWR) less than 1.5.It focuses on the power divider’s design parameters calculation and optimization process.Then using ADS software principle and HFSS simulation of electromagnetic obtained debugging parameters , finally made the PCB in CAD and processed into a kind. In terms of software simulation results under ideal conditions on the test results or physical design diagram show the power divider met the target requirements.Since the required operating frequency is within ISM band, it can be used for wireless LAN, Bluetooth, ZigBee and other wireless networks.

功分器的设计(最新整理)

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变为，这样使分支线长度变长，但作4λ43λ用效果与线相同。

在两分支线之间留出电阻尺寸大小的缝隙，做成如图1-14λ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变为，且将圆伸展开形成一个近似的半圆。

每个支路通过传输线与4λ43λ2λ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，环上有四个输出端口，四个端口的中心间距均为。

环路各段归一23g λ4g λ化特性导纳分别为a, b, c ，四个分支特性导纳均为。

这种形式的功率分配器0Y 具有较宽的带宽，低的驻波比和高的输出功率。

功分器、定向耦合器及应用简介

由于平行耦合导体之间的电磁场的相互作用，使耦合信号传播的方向正好与入射信号的传播方向相反，因而把这种定向耦合器叫反向定向耦合器。图2.14（a）为窄边带线耦合器，图2.14（b）为宽边带线耦合器。对上述两种单节反向定向耦合器，假定信号由端口1输入，由端口2、3 输出，端口4无信号输出，为隔离端。值得注意的是输出信号相差90º ，端口2的相位超前端口3 90º 。经常用独立的偶模和奇模来分析和表示定向耦合器，把两个模叠加就能得到最后结果，详细分析可参看有关资料，这里只给出设计用公式。
图中T1是阻抗变换变压器，按照理想变压器阻抗与匝数的平方成正比，可以求出T1变压器初次级匝数之比等于 2 （7/5=1.4≈ 2 ）。T2是匝数相同的分配变压器，实际电路中还并联了几只电容，它与T1、T2变压器的漏感构成谐振回路，以改善高频特性。图1.12和1.13分别为四功分器和三功分器。
T型功分器由于结构简单，既可以用同轴线，也可以用微带线实现，因而在基站天线阵中，大量用它作为馈电网络。T 型功分器的缺点是输出端口彼此不隔离，因此也把T型功分器叫无隔离功分器。
2、Wilkinson功分器
图1.2所示为匹配Wilkinson功分器的结构示意图。
信号由端口1输入，由端口2、3输出。所有端口的负载阻抗均为Z0，当Z1=Z2= 2 Z0，R= 2Z0时，由端口1输入的功率，由端口2、3同相等功率输出。在中心工作频率，Wilkinson功分器具有以下特性：输入、输出端口完全匹配；端口2、3彼此隔离，隔离度在20dB以上；宽频带，VSWR≤1
双分支线定向耦合器是由周长为λ的方形环状传输线构成的分支线定向耦合器，如图2.7所示。也可以看成主要是由两根传输线组成，主线传输线1-3利用两个间隔λ/4且λ/4长的分支线耦合到辅助传输线2-4上，耦合系数由串联臂和并联臂的阻抗比Z2/Z1决定，输入输出端均有相同的特性阻抗Z0。

不等分威尔金森功分器设计

不等分威尔金森功分器设计不等分威尔金森功分器是一种常见的无源射频（RF）器件，广泛应用于无线通信系统中。

它能够将一个信号分配到多个输出端口上，并且在不同端口上能够按照预先设定的比例对信号进行分配。

在通信系统中的分配系统中有非常重要的应用，能够保证信号在各个分支上的功率匹配，实现信号的有效分配和整合。

本文将深入探讨不等分威尔金森功分器的设计原理、工作原理、应用范围以及相关的技术特点和发展趋势。

一、不等分威尔金森功分器的设计原理不等分威尔金森功分器的设计基于经典的威尔金森功分器，它是一种结构简单、性能可靠的功分器。

在一个不等分的威尔金森功分器中，每个输出端口相对于输入端口的功率分配比例可以不相同，同时保持每个输出端口的相位均匀。

这样能够满足不同应用场景下对功率匹配和相位匹配的需求。

不等分威尔金森功分器的设计原理主要基于传输线理论和耦合器的设计原理。

通过在传输线和耦合器中合理设计参数和结构，能够实现对输入信号的不同分配，保证在每个输出端口上的功率分布符合设计要求。

二、不等分威尔金森功分器的工作原理不等分威尔金森功分器的工作原理可以简单分为两个方面：功率分配和相位匹配。

1. 功率分配：通过在耦合器中设计不同的传输线长度和阻抗匹配，可以实现对输入信号的不等分配。

这需要在设计中根据具体的功率分配比例来确定传输线长度和耦合器的参数，从而实现对输入信号的分配。

2. 相位匹配：为了确保在各个输出端口上的信号相位一致，不等分威尔金森功分器需要通过合理的传输线长度和相位匹配设计来实现。

这能够保证在各个输出端口上的信号相位差尽可能地小，从而满足信号的相位匹配需求。

三、不等分威尔金森功分器的应用范围不等分威尔金森功分器在无线通信系统中有着广泛的应用，尤其是在基站天线系统、分布式天线系统、射频信号分配系统等领域中。

它能够满足不同场景下对信号功率和相位的要求，保证系统的性能和稳定性。

在基站天线系统中，不等分威尔金森功分器可以用于将射频信号分配到不同的天线单元上，实现多天线系统的功率和相位匹配。

功分器设计报告

P2 IL： IL 10 lg （dB） 20 lg S 21 P1
(4)输出端口间的隔离度端口 3 和端口 2 互为隔离端口，在理想情况下，隔离端口间应没有相互输出的功率，但由于设计及制作精度的限制，使隔离端口间尚有一些功率输出。端口 3 到端口 2 的隔离度定义为： D 20 lg S 23 （dB）
/ 4
Zo 2Z o Zo
2Z o Zo 2Z o
/ 4
图2
关于这一点，我没有详述，大家可以参考由栾秀珍、房少军、金红和邰佑城老师编著的《微波技术》这本书，书中对这阐述的非常详细。
三、功分器的基本指标
(1)频率范围频率范围是各种射频和微波电路工作的前提，功率分配器的设计结构和尺寸大小与工作频率密切相关，必须首先明确功率分配器的工作频率，才能进行具体的设计工作。尤其是需要指明中心频率及其频带宽度。 (2)输入端口 1 的回波损耗用 RL1 表示的端口 1 的回波损耗为： RL1 20 lg S11 （dB） (3)输入输出间的传输损耗定义为输出端口 2 的输出功率 P2 和输入端口 1 的输入功率 P1 之比，记为
姓名：陶伟班级：电科 09-1 班学号：2220092322
一、引言
功率分配器是将输人功率分成相等或不相等的几路功率输出的一种多端口微波网络。在微波系统中, 需要将发射功率按一定的比例分配到各发射单元, 如相控阵雷达等, 因此功分器在微波系统中有着广泛的应用。它的性能好坏直接影响到整个系统能量的分配、合成效率。功率分配器有多种形式，其中最常用的是四分之一波长（λp/4）功率分配器，这种功率分配器称为威尔金森（Wilkinson）功率分配器。威尔金森功率分配器由三端口网络构成，其功率分配可以是相等的，也可以是不相等的。在这里，我介绍的是等功率分配的微带线 Wilkinson功率分配器。

功分器工作原理(图文)

功分器工作原理(图文)标题：功分器工作原理（图文）引言概述：功分器是一种常见的电子器件，用于将输入功率按照一定比例分配给多个输出端口。

本文将详细介绍功分器的工作原理，并通过图文方式进行解释。

正文内容：1. 功分器的基本原理1.1 分配网络功分器内部的分配网络是功分器的核心部份，它通过合理的电路设计将输入功率分配给各个输出端口。

分配网络通常采用微带线、插入损耗器等元件组成，以实现对输入功率的分配。

1.2 耦合结构功分器中的耦合结构用于实现输入端口和输出端口之间的相互耦合。

常见的耦合结构有同轴耦合、微带耦合等。

耦合结构的选择和设计对功分器的性能有着重要影响。

1.3 匹配网络为了保证功分器的输入和输出端口的阻抗匹配，功分器内部通常会设计匹配网络。

匹配网络的作用是将输入信号的阻抗与功分器的内部阻抗相匹配，以提高功分器的工作效率和性能。

2. 功分器的工作模式2.1 等分模式功分器在等分模式下，将输入功率均匀地分配给各个输出端口。

这种模式适合于需要将输入信号平均分配给多个接收器或者负载的应用场景。

2.2 不等分模式功分器在不等分模式下，将输入功率按照一定比例分配给各个输出端口。

这种模式适合于需要按照不同比例分配功率的应用场景，如天线阵列中的波束形成。

2.3 反向功分器反向功分器是一种特殊的功分器，它将多个输入信号按照一定比例合并为一个输出信号。

这种功分器常用于合并多个发射器的输出信号，以提高整体发射功率。

3. 功分器的性能指标3.1 分配均匀度分配均匀度是衡量功分器分配性能的重要指标，它表征了功分器在等分模式下各输出端口的功率分配误差。

分配均匀度越高，功分器的性能越好。

3.2 插入损耗插入损耗是功分器在信号分配过程中引入的功率损耗，它直接影响到功分器的工作效率。

通常情况下，功分器的插入损耗应尽量小。

3.3 隔离度隔离度是功分器内部各个输出端口之间的电磁隔离程度，它表征了功分器对于输入信号的隔离效果。

隔离度越高，功分器的性能越好。

功分器的设计基础学习知识原理

功分器的设计基础学习知识原理功分器（power divider）是一种被广泛应用于射频与微波领域的无源滤波器元件，可以将一个输入信号分为若干个相等的输出信号。

在微波系统中，功分器主要用于将输入信号平均分配给若干个相同的输出端口，以实现无源网络的分配功率和信号分配。

本文将介绍功分器的设计基础学习知识原理。

功分器的基本原理是通过合理的布局和参数设计，使得输入信号在不同的传输线中以相等的功率进行传输。

功分器的基本结构包括平面微带线功分器、同轴线功分器和混合功分器等。

在平面微带线功分器中，常用的结构包括均匀分配型、反射抑制型和等相位型功分器。

均匀分配型功分器是将输入信号均匀地分配到每个输出端口，其基本结构是通过等长的传输线与耦合结构相连。

反射抑制型功分器是在均匀分配型的基础上引入反相器，以抑制反射信号，提高功分器的整体性能。

等相位型功分器是保持输入信号的相位平衡，使得各个输出端口上的信号具有相同的相位。

同轴线功分器是以同轴线为传输介质的功分器，常用的结构有同轴线变压器和同轴线融合型功分器。

同轴线变压器通过改变传输线的电气长度和宽度，实现信号的等分。

同轴线融合型功分器是将多个同轴线结构集成在一起，从而实现输入信号的分配。

混合功分器是由平面微带线和同轴线结构组合而成的功分器，常用的结构有广角功分器和均匀功分器。

广角功分器是通过引入交叉耦合结构，使得功分器具有宽带特性和较小的尺寸。

均匀功分器是通过调整微带线的宽度和长度，以实现输入信号的均匀分配。

在功分器的设计过程中，需要考虑多个参数，包括输入-输出的匹配、功分比、波导损耗、等效电路等。

通过合理的参数选择和设计优化，可以实现功分器的高效性能和稳定性。

总之，功分器的设计基础学习知识原理主要涉及功分器的基本结构和参数设计，以实现输入信号的均匀分配和相位平衡。

通过不同的结构和设计方法，可以实现功分器的特定要求和性能优化。

威尔金森功分器的设计

综合课程设计实验报告课程名称：综合课程设计（微波组）实验名称：威尔金森功分器的设计院（系）：信息科学与工程学院2020 年6月12 日一、实验目的1. 了解功分器电路的原理和设计方法；2. 学习使用Microwave office 软件进行微波电路的设计、优化、仿真；3. 掌握功率分配器的制作及调试方法。

二、实验原理Wilkinson 功率分配器根据微波网络理论，对于三端口网络，匹配、互易、无耗三者中，只能有两个同时满足。

Wilkinson 功率分配器是一个有耗的三端口网络（如图1.1所示），它通过在输出端之间引入特性阻抗为2Z 0的电阻，实现了理想的功率分配与功率合成。

用于功率分配时，端口1是输入端，端口2和端口3是输出端；用于功率合成时，端口2和端口3是输入端，端口1是输出端。

可以制成任意功率分配比的Wilkinson 功率分配器，本实验只考虑等分（3dB ）的情况，其结构如图1.2所示。

由两段微带线与输出端之间的电阻构成，两段微带线是对称的，其特性阻抗为02Z ，长度为/4g ，并联电阻值为2Z 0。

图1.1 Wilkinson 功分器示意图图1.2 微带线形式的等分Wilkinson 功分器三、实验内容和设计指标实验内容1. 了解Wilkinson功分器的工作原理；2.根据指标要求，使用Microwave office软件设计一个Wilkinson功分器，并对其参数进行优化、仿真。

设计指标在介电常数为4.5，厚度为1mm的FR4基片上（T取0.036mm，Loss tangent取0.02），设计一个中心频率为f=3.2GHz、带宽为200MHz，用于50欧姆系统阻抗的3dB微带功分器。

要求：工作频带内各端口的反射系数小于-20dB，两输出端口间的隔离度大于25dB，传输损耗小于3.5dB。

功分器的参考结构如1.3图所示。

在设计时要保证两个输出端口之间的距离大于10mm，以便于安装测试接头；同时为了便于焊接电阻，d要为2.54mm左右。

功分器的设计原理

设计资料项目名称：微带功率分配器设计方法拟制：审核：会签：批准：二00六年一月微带功率分配器设计方法1. 功率分配器论述：1.1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，此时也可称为合路器。

1.2分类：1.2.1功率分配器按路数分为：2路、3路和4路及通过它们级联形成的多路功率分配器。

1.2.2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。

1.2.2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。

1.2.3根据电路形式可分为：微带线、带状线、同轴腔功率分配器。

1.3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，而且输出端口间无任何隔离。

微带线、带状线功分器优点是价格便宜，输出端口间有很好的隔离，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。

下面对微带线、带状线功率分配器的原理及设计方法进行分析。

2．设计原理：2.1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析。

传输线的结构如下图所示，它是通过阻抗变换来实现的功率的分配。

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。

实验三功分器的设计制作与调试

流程
确定设计指标要求→选择合适的传输线结构→计算传输线尺寸→设计输入/输出端口→优化设计参数→完成设计。
设计工具与软件
设计工具
常用的设计工具包括电磁仿真软件（如HFSS、CST等）和CAD绘图软件（如 AutoCAD、SolidWorks等）。这些工具可以辅助设计师进行精确的电磁仿真和结构绘图。
调试结果分析与改进
结果分析
根据测试数据和观察到的现象，分析三功分器的性能表现，找出可能存在的问题。
改进措施
针对分析结果，采取相应的措施进行改进，如调整电路参数、优化电路结构等，以提高三功分器的性能。
05 实验总结与展望
CHAPTER
实验收获与体会
深入理解了功分器的设计原理
通过本次实验，我深入了解了功分器的设计原理，包括信号的分离、传输和合成等。
选择合适的元件值
根据设计要求选择适当的电阻、电容、电感值，以满足信号分配和传输要求。
调试与测试技巧
使用合适的信号源和示波器，准确测量信号参数，及时发现问题并进行调整。
注意事项
保持工作台整洁，避免静电和灰尘的影响；遵循安全操作规程，避免烫伤和火灾等事故发生。
04 实验三功分器调试
CHAPTER
可靠性高
实验三功分器采用高品质的材料和成熟的工艺制作，具有较高的稳定性和可靠性，能够保证长期使用的性能和寿命。
实验三功分器的应用场景
通信系统
01
实验三功分器可用于通信系统的功率分配和功率合成，如微波
通信、卫星通信等。
雷达系统
02
实验三功分器可用于雷达系统的发射和接收部分，实现信号的
分配和合成，提高雷达的探测能力和精度。
优化方法
为了提高三功分器的性能，可以采用多种优化方法，如遗传算法、粒子群算法、模拟退火算法等。这些算法可以通过迭代搜索最优解，找到最优的设计参数组合，提高三功分器的性能指标。

功分器、定向耦合器课件

2
S 12 S 23 S 31 1
1 0 0 0 1 0
2
0 0 1
1 0 0
1
3
1
3
环形器
三端口网络——两个端口匹配，无耗，互易
j
S 21 e
0 j S e 0
e
j
0 0
0 0 j e
1
S12 e
无耗网络的散射矩阵满足么正性
2 S kj 1, k 1 4 S * S kj 0, k 1 ki 4
j 1, 2, 3, 4 i j, i , j 1, 2, 3, 4
四端口网络的基本特性（续2）
S12 S12 S13 S14
λg/4 ZC1 ZC ①
③
ZC
R
ZC1 λg/4
ZC
②
0 S 0 j 2
0
0 j 2
j 2 j 2 0
微带功分器（Wilkison 功分器）（续3）
功率不等分：
Z c2 Z c
2
1 K
2
/K
证明：采用反证法，假设三端口网络的所有端口匹配、互易，网络无耗。
S11 S S 21 S 31 S12 S 22 S 32 S13 S 23 S 33
匹配： S 11 S 22 S 33 0
互易： S ij S ji
无耗： S S 1
2
S13 S 23 S 23 S 24
2
S14 S 24 S 34 S 34
2
1 1 1 1

四功分器和定向耦合器的设计

谢谢！
输出端口2
输入端口1
输出端口3
功分器的设计、仿真、优化
版图的S参数仿真
功分器的设计、仿真、优化
版图的S参数仿真结果
功分器的设计、仿真、优化
小结
• 功分器的基本工作原理及主要指标 • 威尔金森功分器的仿真设计优化 • 威尔金森功分器版图的仿真设计
定向耦合器的基本原理
定向耦合器基本工作原理
隔离端口
/4;f012GHz W/H=0.107
S/H=0.071 直通端口与耦合端口相位差
定向耦合器的仿真设计
经验初值的仿真结果
定向耦合器的仿真设计
耦合器的参数优化
优化微带线线宽w(0.02-0.0508mm)；和缝间距s(0.02-0.038mm)
插入损耗
耦合度
隔离度
定向耦合器的仿真设计
• 耦合度：耦合端口3输出功率P3和输入端口1输入功率P1之比：
C10logP P1320logS31
dB[S(3,1)]
• 隔离度：隔离端口4的输出功率P4和输入端口1的输入功率P1之比：
I10logP P1 420logS41 dB[S(4,1)]
定向耦合器的基本原理
• 常用定向耦合器： Lange耦合器（交指耦合器）应用于耦合较强的情况，通常设计为3dB耦合；具有一个倍频程或更宽的带宽；在平衡放大器、功率分配器和平衡混频器中有广泛应用。
定向耦合器的基本原理
Lange耦合器基本工作原理
金丝焊接
① ② ③ ④ ⑤
90度相位差
定向耦合器的基本原理
定向耦合器的基本原理
定向耦合器基本指标
• 输入驻波比：端口2、3、4都接匹配负载时，输入端口1的驻波比：

功分器设计报告

功分器设计报告组员：指导老师：日期：2013年5月3日功分器基本原理功分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，此时也可称为合路器，一个功分器的输出端口之间应保证一定的隔离度。

种类：功分器一般有二功分、三功分和四功分3种。

功分器从结构上分一般分为：微带和腔体2种。

腔体功分器内部是一条直径由粗到细程多个阶梯递减的铜杆构成,从而实现阻抗的变换,二微带的则是几条微带线和几个电阻组成,从而实现阻抗变换。

功分器通常备为能量的等值分配，通过阻抗变换线的级联与隔离电阻的选择，具有很宽的频带特性。

参数说明：插入损耗：器件直通损耗，其计算公式为所有的路数的输出功率之和与输入功率的比值，或单路的实际直通损耗减去理想的分配损耗，一般理想分配损耗由下式获得：理想分配损耗（dB）=10log（1/N）N为功分器路数N=2 3.0dBN=3 4.8dBN=4 6.0dB隔离度：当主路接匹配负载时，各分配支路之间的衰减量。

幅度平衡：指频带内所有输出端口之间的幅度误差最大值。

相位平衡：指频带内各输出端口之间相对于输入端口相移量的起伏程度。

图是二路功分器的原理图。

图中输入线的特性组抗为Z0,两路分支线的特性阻抗分别为Z02和Z03，线长为λ/4 , λ/4为中心频率时的带内波长。

图中R2,R3为负载阻抗，R为隔离阻抗。

对功分器的要求是：两输出口2和3的功率按一定比例分配，并且两口之间相互隔离，当两口接匹配负载时，1口无反射。

下面根据上述要求，确定Z02 、Z03、R2、R3及R的计算公式。

设2口、3口的输出功率分别为P2、P3 ，对应的电压为V2、V3 .根据对功分器的要求，则有：P3=K2P2 |V3|2/R3=K2|V2|2/R2式中K为比例系数。

为了使在正常工作时，隔离电阻R上不流过电流，则应V3=V2 于是得R2=K2R3若取R2=KZ0则R3=Z0/K因为分支线长为λe0/4，故在1口处的输入阻抗为：Zin2=Z022/R2 Zin3=Z032/R3为使1口无反射，则两分支线在1处的总输入阻抗应等于引出线的Z0，即Y0=1/Z0=R2/Z022+R3/Z032若电路无损耗，则|V1|2/Zin3=k2|V1|2/Zin2式中V1为1口处的电压所以Zin=K2Z03Z02=Z0[(1+K2)/K3]0.5Z03=Z0[(1+K2)K]0.5设计目标工作频率：1.5—2.5GHz插入损耗：≤1dB隔离度：≥20dB (3个端口)幅度不平度：≤1dB相位不平度：≤3º输入输出驻波比：≤1.5电路仿真电路仿真采用ADS2011软件，原理图如下图所示：原理图经过多次优化之后，各项指标均能达到设计要求，仿真曲线如下所示：原理图隔离度S23原理图发射系数S111.851.901.952.002.052.102.151.802.20-28-26-24-22-30-20freq, GHzd B (S (2,3))1.851.901.952.002.052.102.151.802.20-24.0-23.5-23.0-24.5-22.5freq, GHzd B (S (1,1))原理图插入损耗S21电磁场仿真场仿真采用HFSS10.0软件，3D 模型及仿真曲线如下图所示3D 模型1.851.901.952.002.052.102.151.802.20-3.125-3.120-3.115-3.110-3.130-3.105freq, GHzd B (S (2,1))S参数仿真曲线版图设计经过ADS软件仿真及优化之后，通过Layout得到仿真版图如下图所示：版图经过HFSS软件可导出CAD版图，如下图所示：CAD版图实验调试根据CAD版图，可制得实际版图，经过简单的焊接工作之后，制作的功分器如图所示：实物图将功分器连接电缆与频谱分析仪连成回路，经过频谱仪操作，可测得测试曲线如下图所示：S21参数测试曲线相位不平度测试曲线S11参数测试曲线隔离度测试曲线幅度不平度测试曲线数据分析通过测试曲线，可知功分器基本工作在1.8-2.2GHz；S11参数最小值为-4.394dB，考虑到仪器本身的3dB损耗，可知插损为1.394dB，略大于1dB，未达到插损≤1dB的设计指标；相位不平度最大值为2.718°，数值小于等于3°，达到设计指标；设计指标中要求输入输出驻波≤1.5，经过换算可得S11≤-14dB才能满足设计要求，而测试数据中S11参数最大值为-15.517dB，满足设计要求；工作频率范围内，隔离度为24.244dB ~ 26.824dB，满足隔离度≥20dB的设计要求；幅度不平度最大值为0.465dB，达到幅度不平度≤1dB的设计指标。