第九章 功率分配器的设计与仿真
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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
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。
Z0 2 0 1 CP 0 Z 0 0 2f 0 LS
（9-5）
9.2.2等分型功分器设计实例
设计工作频率f0=1GHz的功分器，特性阻抗为Z0=50 功率比例为k=0.5，且要求在1 0.02GHz的范围内S11 -14dB，S21 -4dB，S31 -4dB。 1.电路结构的选择及参数计算 7 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
Z0 1 P1 Z0 Z0 3 P3 2 P2
U1 U0 Z0/3 Z0/3 U3 Z0/3 U2
(a) Δ形 图9-2 电阻式功分器
(b) Y形
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 5 图9-2（b）所示，设Z0=50Ω，则
U0
14 2 U1 U1 23 3 3 U2 U3 U0 4
U2
20 lg
U2 6dB U1
1 U1 2
2. 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。
1 P1 CP LS Z0 LS 2 P2 CP 3 P3
Z0 1 P1 LP CS 3 P3 CS 2 P2 LP
(a) 低通型
(b) 高通型 图9-3 L-C式集总参数功分器
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（1）低通型Байду номын сангаас
。
（2）高通型 0 2 Cs 0 Z 0 0 2f 0 （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。 LP Z0
Ad 10lg Pin 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 （9-3） 为 Ai A Ad 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 4 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
第九章功率分配器的设计与仿真
【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
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第九章 功率分配器的设计与仿真
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。
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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。由能量守恒定律可知 P1= P2+ P3 （9-1） 如果P2（dBm）=P3(dBm)，三端口功率间的关系可写成 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。
功分器
P2
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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
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。
Z0 2 0 1 CP 0 Z 0 0 2f 0 LS
（9-5）
9.2.2等分型功分器设计实例
设计工作频率f0=1GHz的功分器，特性阻抗为Z0=50 功率比例为k=0.5，且要求在1 0.02GHz的范围内S11 -14dB，S21 -4dB，S31 -4dB。 1.电路结构的选择及参数计算 7 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
Z0 1 P1 Z0 Z0 3 P3 2 P2
U1 U0 Z0/3 Z0/3 U3 Z0/3 U2
(a) Δ形 图9-2 电阻式功分器
(b) Y形
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 5 图9-2（b）所示，设Z0=50Ω，则
U0
14 2 U1 U1 23 3 3 U2 U3 U0 4
U2
20 lg
U2 6dB U1
1 U1 2
2. 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。
1 P1 CP LS Z0 LS 2 P2 CP 3 P3
Z0 1 P1 LP CS 3 P3 CS 2 P2 LP
(a) 低通型
(b) 高通型 图9-3 L-C式集总参数功分器
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（1）低通型Байду номын сангаас
。
（2）高通型 0 2 Cs 0 Z 0 0 2f 0 （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。 LP Z0
Ad 10lg Pin 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 （9-3） 为 Ai A Ad 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 4 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
第九章功率分配器的设计与仿真
【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
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第九章 功率分配器的设计与仿真
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。
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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。由能量守恒定律可知 P1= P2+ P3 （9-1） 如果P2（dBm）=P3(dBm)，三端口功率间的关系可写成 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。