微带一分四功分器的设计与实现

论文总字数：18551字

目 录

1 引言……………………………………………………………………………………………1

1.1 研究背景…………………………………………………………………………………1

1.2 功分器的发展历史………………………………………………………………………1

2功分器理论基础 …………………………………………………………………………2 2.1 传输线理论………………………………………………………………………………2

2.1.1 微带线理论………………………………………………………………………2

2.1.2 阻抗匹配…………………………………………………………………………3

2.1.3 四分之一波长变换器……………………………………………………………4

2.2功分器简介………………………………………………………………………………5

2.3 T型结功分器理论………………………………………………………………………6

2.4威尔金森功分器理论……………………………………………………………………7

2.4.1威尔金森功分器简介……………………………………………………………7

2.4.2特性参数推导……………………………………………………………………7

2.4.3性能指标…………………………………………………………………………9

2.4.3.1 回波损耗 ………………………………………………………………9

2.4.3.2 插入损耗 ………………………………………………………………9

2.4.3.3 隔离度 …………………………………………………………………9

2.4.3.4 驻波比 …………………………………………………………………9

2.5功分器的选择……………………………………………………………………………9

3 用HFSS设计功分器并仿真优化 …………………………………………………9

3.1 HFSS软件简介 …………………………………………………………………………9

3.2设计功分器模型 ………………………………………………………………………10

3.2.1 功分器性能指标要求…………………………………………………………10

3.2.2 功分器建模与分析……………………………………………………………10

3.3 T型结功分器模型与仿真结果 ………………………………………………………10

3.4 T型结功分器改进方案 ………………………………………………………………11

3.4.1 增加扇形微带线………………………………………………………………11

3.4.2 输出端增加隔离电阻…………………………………………………………12

3.5威尔金森功分器模型与仿真结果 ……………………………………………………13

3.5.1 回波损耗与插入损耗仿真结果………………………………………………14

3.5.2 隔离度仿真结果………………………………………………………………14

3.5.3 驻波比仿真结果………………………………………………………………14

4 实物的制作与测试……………………………………………………………………15

4.1 功分器的制作…………………………………………………………………………15

4.2 功分器与天线阵列连接制作…………………………………………………………16

4.3 实物结果测试…………………………………………………………………………17

4.3.1功分器的测试…………………………………………………………………17

4.3.2功分器与天线阵列的整体测试………………………………………………17

4.3.3与滤波器连接测试……………………………………………………………18

4.4天线阵列方向图测试…………………………………………………………………19

5 总结与展望………………………………………………………………………………20

5.1结论……………………………………………………………………………………20

5.2项目总结………………………………………………………………………………21

5.3收获与感悟……………………………………………………………………………21

参考文献 ……………………………………………………………………………………22

致谢 ……………………………………………………………………………………………23

1引言

1.1研究背景

功率分配器是微波信号接收和频率合成系统重要的组成部分，其广泛应用于雷达接收，遥感遥测，电子测量等多个领域。功分器的使用对于利用功率分配网络的天线阵列系统尤其重要。它将传输线中的限定量的电磁功率耦合使得该信号能够在另一个电路的端口中使用，这种技术对微波频率是有利的，其中传输线设计通常用于实现许多电路元件的共同作用，然而集总组件装置在较低频率下也是可以发挥作用的，例如在电话中遇到的音频频率。同样在微波频率，特别是较高频带上可以使用波导设计。功率分配器有许多应用，这些包括提供用于测量或监视，反馈，组合天线和来自天线的馈送，天线波束形成，为诸如有线电视的电缆分布式系统提供抽头，以及分离电话线上的发送和接收信号的信号样本。在通信系统中，功率分配器以一定百分比将功率从一个端口分流到负载电路中的两个或更多个端口。功率分配器一般在中心频率的设计中采用四分之一波长传输线，它具有不现实的尺寸和波长大的微波波段。功率分配器具有多个公共组件，例如电容器，电感器和电阻器。功率分配器的类型多种多样，例如变压器型Wilkinson分配器，集总元件正交Wilkinson功率分配器，混合分配器，分相器和混合集总分布元件功率分配器。功率分配器通常被设计成适合一些标准频率范围，例如低频（120-135kHz），高频（10-15MHz），超高频（UHF）（850-950MHz）和微波频率（2.45GHz）。如今，科学家们正在使用各种工艺和技术来实现功率分配器，以实现低损耗，低成本和最小化面积，典型的工艺技术是CMOS，BiCMOS，GaAs，FET，MESFET，印刷电路板（PCB）和丝印。功率分配器电路设计的关键规格是实现低回波损耗，低插入损耗，高隔离损耗，相位差，增益，端口匹配，宽带宽和紧凑的尺寸。目前，功率分配器正用于诸如电话性能，天线设计，无线通信，数字通信，光通信，CATV传输系统，机载系统的广泛的通信应用中。

1.2功分器的发展历史

功率分配器的历史始于1960年，当时威尔金森描述了一种将一个信号分离成相等相位和幅度的n个相等信号的装置。理论上，所有输出端口之间的完美隔离在一个中心频率实现。在1965年，Parad和Moynihan提出了输出信号的任意幅度差的混合，在一个频率下再次实现了完美的三端口混合特性。在1968年，Cohn提出了一类等功率分配器，在任何数量的频率上进行隔离和匹配。此外，在1971年Ekinged描述的三端口混合电路由n个部分级联，其中每个部分由两个电长度Φ的耦合无损传输线和一个中间隔离电阻组成。 Ekinge和Cohn的分析都是类似的。然而，区别是Cohn认为等功率分裂三端口混合，而Ekinge讨论了任意数量分裂的三端口混合，从那时起，对三端口混合功分器的研究仍在继续。1975年，Gysel设计了一个新的N路功率分配器，它提供同相输出适合大功率应用，常被配置为双端口，但可以用作N路分离器。在1981年，引入了Webb的分离器技术，所提出的电路使用四分之一波技术，其中用两个串联的传输线代替阻抗。1990年，Ito提出了分布式和有损耗匹配有源功率分配器，可用于桥接T型低通滤波器网络。单片微波集成电路（MMIC）和有源功率分配器电路首先由Kamitsuna和Ogawa在1993年设计，微型超宽带MMIC有源功率分配器具有任意相位关系，其基于FET的固有相位反转属性与相位调整电路。2003年，Nagi提出了一个微型集总元件180°Wilkinson分离器，它使用常规的威尔金森分流器，负和正移相器。两年后（2005），中国的Esper和他的团队设计出了一款基于高速数字系统的非对称功率分配器，它能够实现板间连接，而无需中央交换矩阵。然而，所提出的多点串行链路的主要缺点是施加显着数据速率限制的信号完整性降级，为了克服这个问题，在2006年，Mao引入复合右/左手共面波导功率分配器。2007年，Lee提出了低功耗和低功耗成本CMOS有源差分功率分配器，这个架构是使用TSMC 0.18μmCMOS工艺实现的，很容易集成并适用于片上系统（SoC）应用。在2008年，Wang提出了一种新的宽带微型射频功率分离器，该设计基于变压器型Wilkinson功率分配器。

2 功分器理论基础

2.1 传输线理论

2.1.1微带线理论

从300MHz到300GHz的电磁频谱的范围通常被称为微波范围。对于从1米到1毫米的波长的应用，不能使用低频电路分析技术，必须使用传输线理论。在传输线理论中，沿着传输线的电压和电流可以通过位置函数上幅度和相位的变化来显示。如果一个入射波的形式为，由给定的相位常数或波数 从-z方向入射，则线上的总电压可以写为入射波和反射波的和：

（2-1）

线路上的总电流为：

（2-2）

其中是微带线的特性阻抗，即传输线在无限长或理想状态下具有的阻抗，入射波以相量符号表示。反射电压波的振幅被称为电压反射系数，其表达式为：

（2-3）

其中是负载阻抗。然后可以根据反射系数来写入线上的总电压和电流波为：

（2-4）

（2-5）

从前面的方程，可以看到线上的电压和电流是入射波和反射波的叠加，如果系统是静态的，即和不随时间变化，波的叠加也将是静态的。线上的波的这种静态叠加被称为驻波。由于该驻波的复杂形状，电压将随着线的位置而变化，从最小值到最大值。比率至是量化线的不匹配的一种方式。这种失配称为驻波比（SWR）或电压驻波比（VSWR），可表示为：

（2-6）

根据定义，阻抗是电压与线上特定点的电流的比率， 驻波使阻抗作为距离负载的距离的函数波动。 由线路，负载失配引起的沿着传输线的阻抗的变化可以写成：

（2-7）

（2-8）

其中  是距离负载的距离。 如果用阻抗来代替的表达式，则负载加上传输线的输入阻抗简化为：

（2-9）

使用该公式，如果已知负载阻抗和特性阻抗，则可以计算沿线路的任何地方的阻抗。

2.1.2 阻抗匹配

如果负载阻抗等于线路阻抗，则反射系数为零，并且负载被称为与线路匹配。 所有的微波阻抗匹配技术可以简化为这个简单的想法：将入射波的反射最小化为尽可能接近零。当负载与线路不匹配，并且因此在负载处存在入射波的反射时，传送到负载的功率减小。 这种损耗称为回波损耗（RL），并且表达式为（以dB为单位）：

（2-10）

由于各向异性介质几何形状，微带线不能支持真实的TEM波，原因如下：微带线的大部分电场集中在线和接地面之间的区域，一小部分在上面的空气中传播。 因为光的速度  在空气和电介质中不同，在空气-电介质界面处的边界值条件不能用纯TEM波来满足，并且精确地构成混合TM-TE波。 因为电介质基板在电学上非常薄  ，对于该场是准TEM，所以可以从静态解中获得相速度，传播常数和特征阻抗的良好近似。微带线中相速度为：

（2-11）

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