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。

图1.3 Wilkinson功分器的结构

进行设计时，主要是以功分器的S参数作为优化目标进行优化仿真。S21、S31是传输系数，反映传输损耗；S11、S22、S33分别是输入输出端口的反射系数；S23（或S32）反映了两个输出端口之间的隔离度。

四、实验设计过程

1. 计算四分之一波长传输线的阻抗和并联电阻的值。

系统阻抗Z0 =50Ω；并联电阻2Z0=100Ω；

四分之一波长传输线的阻抗

2Z=70.7Ω；

2. 采用TXLINE.EXE等软件，计算四分之一波长传输线的尺寸（尺寸精度到0.01mm）。

用此方法计算可得：

70.7Ω对应的尺寸为W=0.97mm L=12.95mm

50Ω对应的尺寸为W=1.89mm L=12.58mm

五、微波元件的电路仿真➢电路图

上图中间5段微带线的长度应该满足下式：

x+2y-1.27+6.28=12.95 即四分之一波长传输线的长度x=2; y=(7.94-x)/2

➢仿真图

六、实物制版与测试

➢实物制版

2

1

3

➢测试

测试端口1和端口2，端口3加上负载电阻

测试端口1和端口3，端口2加上负载电阻

七、分析与讨论

(1)使用Microwave office软件设计电路图，其仿真结果是在中心频率3.2GHz附近200MHz的带宽内传输损耗小于 3.5dB，3.1GHz处为3.4632dB，3.3GHz处为3.4977dB，符合设计要求。在实物测试的图中，S21为3.594dB，略大于3.5dB，可能是由于测试接头与微带线电路间没有焊接固定，或是部分PCB板的微带线端距离边缘有一定间距。S31为3.465dB，小于3.5dB，符合要求。

(2)仿真图中S11、S22、S33都小于-20dB，符合设计要求。实物测试的图中S11、S22、S33也都小于-20dB，符合设计要求。

(3)仿真图中S32在3.3GHz处为-27.208dB，小于-25dB，由于S32曲线在小于3.3GHz的地方都低于3.3GHz处的值，所以两输出端口见的隔离度

在带宽范围内符合要求。

八、结论

这次实验最后实物测试的结果符合要求，在与其他用导入方法的同学比较之后，我想可能是因为在PCB板上制图我采用的是手动绘制的方法，比较准确，每段微带线相互连接的比较紧密。

我认为微波器件设计这门课是比较有趣的一门课，每一节课既学到了理论知识，有能够自己动手用软件画电路、仿真，这样理论与实践结合在一起很能够帮助我们学生掌握知识，而且最后还能拿到自己亲自画的PCB 板的实物，虽然是很简单的一个小器件的设计，但是做出来还有小有成就感的。同时认识到微波这门课对精准度的要求很高，每一个器件的尺寸都是很小数量级的，差一点点可能就会对实验结果造成很大误差，就像是蝴蝶效应，因此对于科研工作，我们要以认真严谨的态度对待，做到准确无误。

最后感谢张老师、赵老师在课堂上的每一次耐心解答，很喜欢两位老师的教学风格。