功分器的设计与仿真

分类号TN73UDCD10621408（2015）05440密级公开编号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叶建梅申请学位专业电子信息科学与技术申请学位类别工学学士指导教师姓名（职称）夏运强论文提交日期2015年5月22日独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得成都信息工程大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。签名日期2015年5月29日关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解成都信息工程大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权成都信息工程大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）签名日期2015年5月29日I宽带WILKINSON功分器的设计摘要在微波电路中，功分器是将一路功率按照比例分为两路或多路分支，这种器件叫功分器。传统的WILKINSON功分器带宽很窄，常常满足不了宽带系统的应用。为了改善上述问题，本文对宽频带功分器进行设计。本文首先对功分器的相关组件及工作原理进行研究分析，介绍了宽带功分器的奇偶模分析法；然后设计一个具有0825GHZ的宽频带WILKINSON功分器，该功分器要求其插损小于1DB,隔离度大于20DB,电压驻波比（VSWR）小于15。本文着重讲述了功分器设计中的参数计算和优化过程，利用ADS软件原理图仿真和HFSS电磁仿真获得调试参数，然后在CAD中制成印制板并加工成实物。从仿真结果和实物的测试结果图表明设计出的功分器达到了指标要求。由于课题要求的工作频率处于ISM频段内，所以可用于无线局域网、蓝牙、ZIGBEE等无线网络中。关键词宽带,WILKINSON功分器,奇偶模，仿真IITHEDESIGNOFTHEBROADBANDWILKINSONPOWERDIVIDERSABSTRACTPOWERDIVIDERDIVIDEONEPOWERINTOTWOORMULTIPLEBRANCHESTRADITIONALWILKINSONPOWERDIVIDERBANDWIDTHISVERYNARROW,ANDOFTENCANNOTMEETTHEAPPLICATIONBROADBANDSYSTEMSINORDERTOIMPROVETHEABOVEPROBLEMS,THEARTICLEDESCRIBEWIDEBANDPOWERDIVIDERSDESIGNTHISARTICLEAIMSTORESEARCHANDANALYSISRELATEDCOMPONENTSANDWORKINGPRINCIPLEOFPOWERDIVIDERSITDESCRIBESTHEUSEOFODDMODEANALYSISMETHODOFAWILKINSONNWAYPOWERDIVIDERTHISWILKINSONPOWERDIVIDERSDESIGNHAVEAWIDEBANDOF0825GHZTHEPOWERDIVIDERREQUIRESITSINSERTIONLOSSLESSTHAN1DB,ISOLATIONGREATERTHAN20DBANDTHEVOLTAGESTANDINGWAVERATIOVSWRLESSTHAN15ITFOCUSESONTHEPOWERDIVIDERSDESIGNPARAMETERSCALCULATIONANDOPTIMIZATIONPROCESSTHENUSINGADSSOFTWAREPRINCIPLEANDHFSSSIMULATIONOFELECTROMAGNETICOBTAINEDDEBUGGINGPARAMETERS,FINALLYMADETHEPCBINCADANDPROCESSEDINTOAKINDINTERMSOFSOFTWARESIMULATIONRESULTSUNDERIDEALCONDITIONSONTHETESTRESULTSORPHYSICALDESIGNDIAGRAMSHOWTHEPOWERDIVIDERMETTHETARGETREQUIREMENTSSINCETHEREQUIREDOPERATINGFREQUENCYISWITHINISMBAND,ITCANBEUSEDFORWIRELESSLAN,BLUETOOTH,ZIGBEEANDOTHERWIRELESSNETWORKSKEYWORDSWIDEBAND,WILKINSONDIVIDER,ODDEVEN,SIMULATIONIII目录第一章绪论111背景和意义112功分器的产生和发展213国内外的研究进展214本文的主要任务及结构2第二章功分器理论421功分器的技术指标422功率分配器的原理5221二功分器的端口示意图5222二等分功分器5223宽频带等分功分器823功率分配器的分类13第三章功分器的设计与仿真1531功分器的设计要求1532功分器的设计方案1533功分器的ADS设计15331参数计算15332原理图的绘制16333手动调谐19334仿真结果2034功分器的HFSS设计21341软件介绍21342端口激励和隔离电阻设置21IV343仿真及结果22第四章加工图与测试结果2541功分器的加工图2542测试结果及分析26第五章总结与展望3051全文总结3052前景展望30参考文献31致谢321第一章绪论由于现代电子和通信技术的快速发展对人与人之间的信息交流起到了越来越重要的作用，所以各种电子设备也应运而生，电子通信设备已经越来越多地渗透到家家户户，潜移默化的改变着这个世界的交流方式。在电子线路中往往既有无源器件也有有源器件，无源器件如功分器、谐振器、混频器等微波模块和RLC以及其匹配网路，它们用来实现信号传输过程中的分配、匹配、滤波等。毫不例外地，微波高频电路也存在各种无源和有源器件，它们的功能基本相同，只是处理对象是微波信号。现代无源器件中，对于微带功分器的研究已经越来越重要。11背景和意义本文讨论的WILKINSON功分器，它属于微带线3DB功率分配器，输出端口二路等分，具有结构简单，成本低廉，线性化好等优点。小型化低功耗器件一直备受射频电路设计的青睐，而微带技术具有小型化低功耗的优点，因此一般的功分器都用微带电路来实现。在结构上，最初采用的材料是同轴线，此后在微带和带状线结构上得到了广泛地应用和发展，大功率的往往采用同轴线而中小功率的常采用微带线。功分器的所有端口在工作频带内都维持匹配的条件，此外，输出端口之间输出电压相等且同相，达到良好隔离作用，输出功率比值可以为任意指定值，这使得各分支的功率分配实现灵活可调。功分器的应用是可逆的，当被使用在相反的方向时，功分器能合并来自两路或多路功率源的功率。所以，总结WILKINSON具有一些独特的优点如下功分器的运用可逆，功率容量较低，可以按照实际需要确定输出端口是否均分，不可以传输直流，且隔离度高。随着微波通信的不断发展和射频技术、多信道传输的的广泛应用，为了适应分支后的信号传输，功率分配器获得了越来越大的关注。我们可以常在诸如相控阵雷达系统、天线馈电系统、多路中继通信机中看到功分器的使用，功分器还可用于数字卫星电视接收系统，旨在减少数字卫星电视接收端天线的浪费，并且在不影响到收视质量和效果的前提下能够实现多台接收机多个用户多台电视机共用一套天线的目的，这就要求其衰减要小，才能使噪声小，分辨率高。212功分器的产生和发展功率分配/合成器，即功分器，广泛地使用在将卫星信号分配给各个接收机的情况以及近代微波大功率固态发射源的功率放大器中。1960年，ERNESTJWILKINSON提出了WILKINSON式结构，当时他发表了一篇名为ANNWAYHYBIRDPOWERDIVIDER的论文，介绍了一种N路混合型功分器，从此WILKINSON功分器开始发展起来。功分器在增强工作频带的带宽方面有一定的进展。从功分器的频率特性可以总结出，当频带边缘频率之比增加时，输入驻波比会下降，隔离度会变差。传统的WILKINSON功分器带宽很窄，常常满足不了宽带系统的应用。传统的3DB威尔金森功分器是由两条四分之一波长的传输线外加隔离电阻构成，所以为进一步加宽工作带宽，可以用多节的形式，即增加四分之一波长的阻抗变换线和相应的隔离电阻R的数目。然而，由于WILKINSON功分器的尺寸与工作频率的变化有一定的联系，即工作频率越低尺寸越大，不利于MMIC设计又增加了成本；随着频率的增大其物理尺寸虽然变小，但毫米波频段的微带线的不连续性影响又变得很大，这些导致都导致了功分器应用的局限性，从WILKINSON功分器出现开始，许多研究者就试图提出各种方案来综合解决其尺寸问题，从而适应MMIC的发展。13国内外的研究进展上世纪七十年代国外就已经有了微波功分器的产品存在，早期的产品多见于威尔金森功分器，当时的带宽还不宽，多是窄带应用。四十余年的发展使得传输线理论不断完善，制作工艺水品也不断提高，功分器得到了较大的发展和突破，具体表现为从窄带到宽带、从两路到多路、从单频段到多频段的提升，形成了完整的产品线，国外的产品主要以PMLSAR公司的产品为龙头企业。对于国内，关于功分器的研究还比较少，多见于军品市场。生产单位主要有泰格微电子研究所和亚光厂，亚光厂的产品占据了国内很大市场，国内产品还应向宽频带、低插损、高隔离的方向发展以及解决工艺问题。14本文的主要任务及结构本论文一共由五章构成第一章属于本文的绪论，主要就课题背景和研究意义进行介绍，阐述了功分3器的产生和发展以及在国内外的研究情况。第二章讲了功分器的理论，主要介绍了二等分功分器参数的公式推讨过程和采用N节宽频带功分器的奇偶模分析来解决参数计算问题。第三章是软件仿真设计部分，主要介绍了威尔金森功分器的ADS设计和HFSS设计步骤，同时给出了设计与仿真的结果。第四章为功分器样品的测试分析部分，给出了实物测试的曲线图以及对结果的分析。第五章为全文作了个总结并对该课题的前景进行了分析，通过对比其自身的优缺点来扬长补短，使以后的工作重心在于改善其不足之处。4第二章功分器理论21功分器的技术指标1频率范围2功率容量表示功分器所能承受的最大功率，在大功率分配器/合成器中，作为核心指标，最大功率决定了电路将采用什么种类的传输线。一般地，传输线能承受功率从大到小的顺序是空气同轴线、空气带状线、同轴线、带状线、微带线1。3分配损耗定义为信号功率从输入端分配到输出端的传输损耗，即输入端输入的信号功率与传送到输出端的信号功率之比，表示为DBPPAOUTINDLG1021对于等分功分器来说，由于KPPOUTIN/，OUTINKPP，K为功分器输出端的个数，所以KDBADLG10。分配损耗并不是真的损耗，只是由于功率分配造成的。对于常用的功分器分配损耗根据经验值得来，比如，二等分功分器的分配损耗为3DB,四等分的分配损耗为6DB。4插入损耗是由于微带线的介质或导体不理想或者是输入端的反射所带来的损耗。定义公式为DIAAA，IA代表插入损耗，A描述的是实测损耗，A的计算表达式为1DBPPAOUTIN实测LG1022）5电压驻波比（VSWR）每个端口的电压驻波比一般越小越好，其反映了各个端口的匹配特性的好坏。6隔离度输出端口间的信号要求互不干扰，这需要支路间拥有比较大的隔离度。功分器在设计时隔离度一般越大效果越好。在个端口都接匹配负载的情况下，OUTJINIIJPPALG10（23）7幅度平衡和相位平衡幅度平衡是指频带内所有输出端口之间的幅度误差最大值；相位平衡指频带内所有输出端口之间相对于输入端口信号信号相移量的起伏程度1。522功率分配器的原理221二功分器的端口示意图功分器2P23P31P1图21功分器端口结构图21表明了二功分器是三端口网络，它的作用是将一路功率按照一定的比例分成两路或多路的分支。输入端为1P,其他两个输出端分别为2P、3P。据能量守恒定律可知321PPP,当21PP时为二路等分功分器，当KPP21/时为不等分功分器。222二等分功分器图22二等分功分器如图22所示是一个二等分功分器，它的输入端和输出端的特性阻抗为0Z,1到2端口、1到3端口的微带分支线的特性阻抗都为1Z，线长为4/G，跨接在A、B端口的电阻作为隔离电阻的作用存在。为了方便分析，图22的等效电路如图23所示。3R端口3端口2U24Z03Z02端口1Z0ZIN2ZIN3U32R图23二等分功分器的等效分析电路6假设端口（1）为输入端，功率大小为1P,其他两个输出端分别为为2P、3P，那么有DBDBMPDBMPDBMPIN332。本文设计的WILKINSON功分器作为微带线3DB等分功分器，它的基本要求为1、输入端口1无反射。2、两输出端口2、3口输出的电压相等且同相。3、输出端口2、3口输出的功率比值可以为任意值，设为2/1K2。综上三个基本要求可得23232223203212/2Z1Z1Z1KRURUUUININ（24）由阻抗变换理论有3203322022RZZRZZININ（25）设02KZR，由（24）（25）式可知KZR/03。且由上面两式可算出参数的值为320032002/11ZZKKZZKK（26）从图可以看出，图形是对称的，所以0302ZZ2。关于隔离电阻R的计算表达式假设端口1为输入端口，信号从端口1进入，由于端口1到端口2和到端口3的长度都为四分之一波长且特性阻抗都为1Z，所以电流到达A、B位置时的电压等幅同相，电阻R上没有电流流过，不干扰电路输出；然而当端口2作为输入端口输入信号时，由于电流从AB和A0B两路到达B点时，电压大小相等而相位相差二分之一波长，所以电阻R上电压由于反相抵消，所以也不影响3端口的输出，但R的位置和取值必须有考究。隔离电阻的计算公式推讨如下为了便于分析当2端口（A口）有信号输入时的作用，将上述二等分功分器的电路改成如图24所示。由图可知，在A口接入一电源，端阻抗保持不变为0Z，而原输入端口（0口）电源短接而接以阻抗0Z，这实际上是一个二口（四端）网络。R起电路分流作用，故用导纳矩阵Y来进行分析。由于电路并联，所以该网络的总导纳矩阵等于电阻R的矩阵RY加上T型网络矩阵TY，T型网络矩阵由两段4/G7的微带线、中间并联一个阻抗0Z的网络构成3。4G4GI（）（）UZROZZBAIZUZ图24求隔离电阻时的等效电路22211211YYYYYYYTR（27）21222112112121UUYYYYUUYII（28）输入端口（A口）及输出端口（B口）之间的联系元素是2112YY及。若希望A口和B口之间得到隔离，则必须使0212121TRYYY（29）一个串联电阻R的归一化Y矩阵为3RRRRZYR11110（210）故RZYR021（211）对于T网络，由于计算比较复杂，推讨这里不详细给出，只给出结果210211ZZBYT212所以0210021ZZRZY213最后得出R的计算公式8020021222ZZZZR（214）通常情况下，500Z，K1,所以R100。理论证明一个无损的三口网络，不能同时到达匹配和隔离。如果R是电抗不能满足相应的推讨关系式，只有R成为电阻，即网络有损耗时，能同时满足匹配和隔离关系。注意分功率器两分支臂之间的距离不宜过大，一般取（23）个带条宽度即可4。这样做的目的在于能够减少隔离电阻的寄生效应，从而使匹配性能和隔离度变糟糕。要是指标不满足可以通过变动电阻焊接的位置来进行调试以得到改善。另外，功分器的设计需要在支路口匹配的的前提下进行的，如果端口不匹配，必须增加匹配电路。这一点很重要，直接影响功分器的设计效果。223宽频带等分功分器1RNZ2R1Z2Z3R1Z2ZNRNZAN节宽频带分功率器B偶模馈电U0U01RNZ2R1Z2Z3R1Z2ZNRNZ9图25N节二等分功分器奇偶模馈电U0U01RNZ2R1Z2Z3R1Z2ZNRNZC奇模馈电图25A是两路N节宽带等分功分器的结构示意图，由图可知，多节宽带功分器采用了多节阻抗变换器级联的形式，每节微带线的特性阻抗分别为NZ2Z,1Z,电阻NR2R,1R分别为每一节的隔离电阻。功率分配器有一定的频率特性，对于传统的功分器，当频带边缘频率之比增加时，输入驻波比下降，隔离度也变差，单节的等分功分器各个性能指标有时候达不到指标要求。常用的方法是采用多节的阻抗变换线（4/G线段）和隔离电阻级联来加宽工作频宽。实验表明，即便级联的节数不多，在更大的工作频带范围内各个指标也会有较大改善，下面就N1，N2，N3的二等分功分器的频带特性曲线加以分析。图26单节二等分功分器的频带特性对单节二等分分功率器，其频带特性如图26所示。由图可以看出，当441/12FF时，输入驻波比221，隔离度也可大于20DB。但是当2/12FF时，输入驻波比在增大，隔离度减小到146DB3。众所周知，输入驻波比值越小越好，驻波比隔离度DB10而隔离度值越大越好。可以看出，当节数相等时频带边缘之比越大，指标会下降，包括最大输入驻波比和输出端最小隔离度会变差。图272/12FF,N2的二等分功分器频率特性曲线对两节二等分分功率器，其频带特性如图27所示。对于两节（N2）二等分功分器，当2/12FF，1臂的最大输入驻波比1061，2、3臂的最小隔离度等于273DB。与单节的二等分功分器的频带特性相比，同样取2/12FF的情况，但两节功分器的指标比单节的更好。这表示当频带宽度相同时，节数N越大，输入驻波比和隔离度越来越好。图28F1/F23,N3的等分功分器频率特性曲线对三节（N3）二等分功分器，当2/12FF，1臂的最大输入驻波比0291。2、3臂的最小隔离度等于387DB。但是当3/12FF，1臂的最大输入驻波比1051，2、3臂的最小隔离度等于279DB。这再次证明了上面的推论。隔离度DB驻波比驻波比隔离度DB11表21多节二等分分功率器的数据表格节数N223347频带宽度12/FF15202030401001臂最大驻波比1036110610291105110012062、3臂最大驻波比1007102110151038103910982、3臂最小隔离度（DB3662733872792681941Z归一化值）1199812197111241149711157112742Z1667016398141421414212957120513Z179791739615435130174153646Z165977Z177401R电阻归一化值）53163482041000008000096432884942R18643196023746042292583261232293R190482143634524892464R20633639805R435166R259247R49652通过大量的理论与实验，总结出了一个关于多节二等分分功率器的数据表格，如表21所示。这里研究的宽频带功分器虽然增加了级数，但由于还是等分均匀的，所以电路的上部和下部结构的电路参数对应保持一致，很适合用奇偶模分析法对它进行阐述。图25A和25B分别为偶模馈电和奇模馈电的等效电路结构示意图。A偶模馈电在2、3端口处加上等幅同相的电压0U，由对称性可知，电路上下部相对应位置的电位等幅同相，由于隔离电阻R上没有电流流过，不影响电路输出，因此可以把电路分成上下两部分，它的等效电路如图29所示。12EP（2）（3）（1）Z2Z0ZZNZ图29偶模阻抗等效电路1/2）由于端口（1）的负载可以看成上部电路与下部电路在分叉处并联之后的结果，所以分开之后0Z02Z。B奇模馈电在2、3端口接上等幅反相电压，即032VVUGG，由于是等幅反相，隔离电阻两端存在02U的电位差，所以有电流存在，并且隔离电阻中间点存在电压零点，因此可以用一个接地平面使其形成上下两部分电路3，隔离电阻相当于上部和下部电路的串联，所以分开后的隔离电阻变为原电路的一半，即2/IR，分开后的等效电路如图210所示。0P21RZ222R23R2NRZ0Z1NZ图210奇模阻抗等效电路（1/2）通过奇偶模分析法，一个三口网络被分成了两个两口奇偶模网络。将图210所示的奇偶模阻抗等效电路（二分之一）归一化之后，再按照一般习惯将输入口转到左边，并将阻抗参量转换成导纳参量3，如图211所示。（2）（3）NG212NG22G12G（1）50LGNY1NY10Y（2）（3）（1）1YC偶模相对导纳等效电LGNY1NY10Y1YD奇模相对导纳等效电图211奇偶模等效电路记图25（A）中输入输出端口的反射系数分别为1、2、3，奇偶模等效电路输13入口的反射系数分别为E、0，从以上分析可以看出奇模馈电对原始电路的输入反射系数无影响，所以E1（215）偶模等效电路实际上相当于一个4/G阶梯阻抗变换器，两端的归一化阻抗值分别为2和1，故可以由阻抗变换器理论求出各段传输线的特性阻抗，令E1在频带内满足CHEBYSHEV等起伏特性，各段特性导纳值可以由查表得出。对偶模等效电路，根据能量守恒定律可推论出）（0221E（216）上下部对称性可得32（217）由（215）（216）（217）方程式可知如果频带内E及0已给出，其他各个参数也可以相应被求出。有了奇偶模等效电路后，可以根据频带边缘之比、插入损耗、隔离度、电压驻波比等设计指标要求计算出需要多少节阻抗变换线（N）以及每段传输线的特性阻抗和隔离电阻的数值。23功率分配器的分类1按照结构分类分为有源和无源两种，有源功分器的特点是由放大器组成，主要优点是有增益，有较高的隔离度；缺点是有噪声，结构相对复杂，工作稳定性相对较差4。无源功分器的特点是由微带线构成，主要优点是结构简单，工作稳定，无噪声；缺点是接入损耗比较大4。2按照电路材料的使用情况可分为集总参数功分器如下面的T型Y型功率分配器和分布参数功分器如WILKINSON功分器，以下是关于它们的一些类别介绍。AT型（Y型）功分器是三端口网络，具有功率分配或功率组合的作用。它可以用任意传输线制作，分为无耗和有耗类型，理想的功率分配器是不存在传输损耗的，但也不能在全部端口同时达到匹配。但电阻性功分器例外，它是有耗的。电阻式电路是由电阻构成的。Z0是电路特性阻抗。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）。B电感电容式集总参数比例功率分配器14LC式电路由电感和电容元件搭建而成,设Z0为特性阻抗，可分成低通型和高通型，分别如图212A和212B所示5。1P1CPZ0LSLSCP2P23P31P1LPZ0CSCSLP2P23P3AB图212LC式集总参数功分器CWILKINSON功率分配器与其他功分器相比，WILKINSON功分器做到输出端口都匹配且无耗,它只是耗散了反射功率。WILKINSON分配器的S参量确定如下5011S（端口1，1INZ）21803322SS（端口2和3匹配）2192/22112112JVVVVSSOEOE（互易）2202/3113JSS（对称）22103223SS（222）3根据输出端口数一般比较常见的功分器是二路功率分配器。15第三章功分器的设计与仿真31功分器的设计要求工作频带0825GHZ插入损耗20DB电压驻波比（VSWR）15电阻0603封装接头SMA32功分器的设计方案先确定功分器每节微带线的特性阻抗和隔离电阻值，然后计算微带线的尺寸包括其长宽。ADS绘制原理图，搭接各个微带线元件，注意微带T型结的方向和弧形微带的选取，对绘制好的原理图仿真优化（自动优化和手动调谐）得到满足指标的参数，并尽可能使其达到最优。用ADS优化后的参数在HFSS中进行建模仿真优化以满足项目指标。最后进行CAD制版图，并最终加工成实物，焊接隔离电阻调试以达到效果。33功分器的ADS设计331参数计算1节数N的确定由于工作频带在0825GHZ,上边频522FGHZ与下边频801FGHZ的比值约为3倍频，即3/12FF，通过上图可知N3。2每节微带线特性阻抗和隔离电阻值的计算由表21和图25（A）的N节宽带功分器的电路图可知，每节的归一化特性阻抗值为14971,4142173961123ZZZ，由于实际的功分器终端负载往往是特性阻抗为50Z0的传输线，所以实际的特性阻抗为89589Z3，7170Z2，48557Z1。同理可得，归一化隔离电阻143623R，229242R，000081R，隔离电阻值为400,210,100123RRR。3每节微带线长宽计算利用ADS的LINECALC功能，采用FR4做基板材料，基片厚度H08MM,中16心频率FREQ165GHZ，封装高度HU10MM,0Z为每节的特性阻抗，E_EFF为每节的电长度90度，正切损耗角TAND001，输入要求的参数计算，具体设置如图31所示。经过计算之后每节微带线的长度和宽度如表31所示。表31参数计算数据图31微带线计算工具窗口332原理图的绘制本设计中只有隔离电阻R为集总参数元件，其他元件都为微带线的形式。并且由于电路等分均匀，所以上部和下部电路是对称的。微带线的不均匀性要求合适的选择元件如微带T型接头、弧形微带的种类等。以下是一些ADS设计的重要步骤。该电路仿真软件用的是AGILENT公司的ADS2011。1设置微带电路的基本参数MSUB，如图32所示是关于介质基片的相关参数值设置。阻抗尺寸微带线长度L微带线宽度W备注Z0502505915081003R2102R4001RZ35748525331911806Z2707125750907857Z189895262340446172功分器的原理图图33为设计的宽带WILKINSON功分器的原理图，由图可知，该功分器由三节阻抗变换器和隔离电阻的级联构成。图33原理图3S参数仿真电路设置S参数可以表征带内插损、隔离度、电压驻波比等性能指标的值，所以电路优化的目标也是S参数。S23反映输出端口间的隔离度大小，S11代表输入端口的回波损耗，S22，S33代表两输出端的回波损耗，而回波损耗跟电压驻波比有一定的对应关系，所以它们是可以互相转换的。4添加变量由上面参数计算可知，本文设计的功分器是三阶的，为了使后期方便调试电路，这里需要将微带线每一节的长宽以及隔离电阻值设置成变量，变量的初始值为前面参数计算和查表所得的理论值如表31所示，注意，原理图中每一图32MSUB设置H基板厚度08MMER基板材料的相对介电常数44MUR磁导率1COND金属电导率588E7HU封装高度10MMT金属层厚度0018MMTAND损耗角正切002ROUGH表面粗糙度0MM18级微带线元件的总长度之和等于由ADS的LINECALC插件计算得来的L值。变量的设置如图35所示。图34优化变量的设置图35变量设置窗口从图34可以看出，本文设置了11个变量，R1,R2,R3为三个隔离电阻值；L1,L2,L3分别为微带线在X轴方向上的长度；W1,W2,W3分别为微带线第一节第二节第三节的宽度；L0为功分器终端结尾的长度，W0为功分器始端（等于尾端）的宽度。VARIABLEVALUE里填的是变量的初始值，括号里的T表示该变量设置为手动调谐的变量，O表示变量为自动优化变量。一般情况下，手动调谐和自动优化变量不同时打开（ENABLED）。5优化变量的设置这里添加了四个优化变量，分别为S11输入端回波损耗），S12（输入输出端插入损耗），S22（输出端回波损耗），S23（输出端隔离度），具体设置如图3619所示。图36优化目标的设置333手动调谐图37手动调谐窗口选择调谐变量，调谐电路元件参数，可以直观及时的看到每个变量的数值变化对技术指标的影响，实验显示一般隔离电阻的阻值和微带线的长度分配对隔离度的影响比较大，微带线的宽度影响特性阻抗，在调试时可以根据每个变量在增大和减小时性能指标的变化趋势来使结果逐渐地达到优化的目的，但手动调谐很难达到最优，图37是手动调谐的设置窗口。20334仿真结果图38输入输出电压驻波比如图38所示，这三条曲线中输入电压驻波比（VSWR1）在工作频带08GHZ25GHZ内它的最大值约为12，最小值约为10,满足指标要求的小于15；两条输出电压驻波比（VSWR2、VSWR3）曲线重合，毫无疑问地，两输出端口的电压驻波比也远远达标。图39隔离度21图310插入损耗从图38、39、310特性曲线可以看出，各个仿真之后的指标数值范围都在课题设计要求范围之内，具体做到的数据记录如下插入损耗08DB隔离度范围22463,50；输入电压驻波比VSWR11011,1202。将上面的数据做成一个表格更加直观，如表32所示。表32电路仿真分析结果34功分器的HFSS设计341软件介绍HFSS是高频结构仿真器（HIGHFREQUENCYSTRUCTURESIMULATOR的缩写。ANSOFTHFSS是美国ANSOFT公司开发的一款三维电磁场仿真软件。WINDOWS用户界面对任意无源三维器件的电磁场仿真进行操作，直观易学，具有立体建模、仿真分析、自动优化和手动调谐等功能,使得三维电磁设计解决起来快速且准确6。利用HFSS进行WILKINSON功分器的电磁场仿真比ADS进行的电路仿真结果更加接近于实际值，因为电路仿真不能模拟实测环境的影响。我们可以利用ADS软件优化的结果作为HFSS优化变量的初始值，这样能够更加快速地趋于最优化。ADS仿真，工作频带0825GHZ设计指标VSWR1VSWR2VSWR3S21S23带内最差情况120210671067377422463总结带内最差情况满足指标，所以ADS仿真结果达标22342端口激励和隔离电阻设置下面就建模过程中说明重难点的设置。1当功分器的大致模型建好以后，需要对三个端口设置端口激励，本文选择的是模式驱动下的波端口激励，只要是波端口属于外部端口，端口是理想匹配负载。具体如图312所示，用于设置端口激励的矩形不宜过小，因为要考虑到微带线边缘的电磁场辐射情况7。2设置集总RLC边界来模拟两路输出微带线之间的隔离电阻，本文采用0603封装的电阻，作为边界条件的载体，绘制的矩形平面的长度为15MM，宽度为07MM。设置时注意点击NEWLINE命令进入定义电流方向矢量状态，图313是设置好的图样。图313隔离电阻模型图311电磁场端口辐射情况图312波端口设置23343仿真及结果图314整体结构图图315插入损耗图316隔离度24图316是隔离度的电磁仿真特性曲线，从图中我们可以看出隔离度在0825GHZ内在460585,202287范围，具有良好的性能指标，但是在25GHZ这个带内最高频率点上约为20DB,这表示做成实物之后当曲线向低频漂移时，可能造成25GHZ附近隔离度不满足的情况。图317电压驻波比图317是输入输出电压驻波比的特性曲线，从图317中可以看出，在800MHZ25GHZ范围内，指标满足设计要求，只是输入电压驻波比在25GHZ附近稍微有点大，但也能很好的满足要求。表33电磁仿真分析结果由这几个仿真曲线结果，我们可以总结出表33所示的数据，由数据可知，带内最差情况满足指标，所以HFSS仿真结果达标。相比于ADS良好的仿真结果，将优化的数据代入HFSS之后仿真并没有取得良好的结果。由于优化变量太多，自动优化会花费大量的时间都得不到理想的优化结果，所以本文经过手动调谐来完成优化的，只是最后结果并不是最优化的，指标也是勉强能够满足，所以本仿真还有优化空间。HFSS仿真，工作频带0825GHZ设计指标VSWR1VSWR2VSWR3S21S23带内最差情况121411931202370020229总结带内最差情况满足指标，所以HFSS仿真结果达标25第四章功分器的加工图与测试结果41功分器的加工图采用AUTOCAD绘制功分器的加工图，这里介绍个比较简便的方法，即在HFSS中得到满足指标的仿真模型之后导出HFSSEXPORT）以SAT为扩展名的ACID文件并存储，最后打开CAD插入ACID文件，在CAD得到的加工图初稿如图41所示。图41功分器的加工初稿在每个端口两端过孔接地并加以图形填充，最后的加工版图如图42所示。图42功分器的加工图填充之后在加工版图附近写上技术支持1、采用FR4板材，厚度08MM,介电常数44，铜箔厚度0018MM。262、表面喷锡处理，不阻焊不丝印。3、金属化过孔。4、加工精度001MM。5、外形公差01MM。6、数量2片图43是加工成的实物图，实物的尺寸为MM803840，焊接的隔离电阻值分别为1101R，2202R，3903R的标称值。图43实物图42测试结果及分析在各个端口连接SMA接头，利用ROHDESCHWARZ公司型号为ZVB20的网络分析仪对样品进行测量，测量之前对仪器进行校准，测试连接如图44所示，测试结果如图45所示。由于网络分析仪只有两个端口，所以在测量性能指标的时候必须在其中一个端口接匹配负载，图44是将样品的第三端口接匹配负载测试得来的，所以图45中的S11表示输入端口的电压驻波比，其测试最大值约为137，符合设计要求给的VSWR15的要求；S22表示输出端口的电压驻波比，其测试最大值约为122，同样满足要求；S21表示一端口到二端口的插入损耗，从测试结果上的MARKER来看，最大值为3327DB,最小值为385DB，达到了设计指标中带内插入损耗大于4DB的要求。综上所述，这三个指标是达标的。图46是一端口到三端口的指标的特性曲线，对比可以看出两对称电路的一致性还是很好的。27图44实物连接图图45端口1到端口2的插损、电压驻波比28图46端口1到端口3的插损、电压驻波比图47实测隔离度特性曲线图47中S21是2、3端口的隔离度，测量时需要使端口1完全匹配，所以要接上匹配负载。由图可知，在频带的后一小部分即2GHZ25GHZ内，隔离度越来越背离20DB,未达标。这也与上面关于HFSS对隔离度的仿真曲线的预想结果一致。但是造成后一小段高频部分未达标的可能原因另有以下几点1功分器的测量未在腔体内进行，而功分器在接通时会向外辐射能量，对测试结果有影响。2可能是焊接时电阻未在最合适的位置，造成测试结果不准。3电阻都是采用的标称值电阻，29与达到优化目标时的电阻值有差异。4接头的接地未处理好。5电路在优化时并未达到最优。为了解决实物测试时隔离度高频段不达标的差异，后