功分器的研究

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，MO软件，设计与仿真

1 引言

1.1研究的背景与意义[1]

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[23]

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λg/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

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。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[46]