微带3dB功率分配器的设计毕业论文.doc

西南交通大学本科毕业设计(论文) 第页微带3dB功率分配器的设计毕业论文目 录第1章 绪论111论文研究的目的和意义112 国内外研究现状和发展趋势113本文研究的主要内容、目标与方法与内容安排3第2章 微带线传输线421 传输线理论422 微带线6221 微带传输线6222 微带线基本设计参数及设计方法723 微带线用于功率分配器7第3章 功率分配器1231 功率分配器12311 功率分配器的基本概念12312 二分器的基本原理12313 功率分配器的分类1232 常用的功率分配元器件13321定向耦合器13322 功率分配器19323 波导分支器2233 功率分配器的选择原则2434 威尔金森功率分配器25341 基本原理25342 功分器的主要技术指标27第4章 微带3dB功分器的设计与仿真2941 ADS软件介绍2942 电路的设计30421 设计步骤3042 电路的仿真34412 主要参数3644 电路版图的生成36结论40致谢41参考文献42 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第41页第1章 绪论11论文研究的目的和意义 随着无线通信技术的快速发展,各种通讯系统的载频率不断提高,小型化低功耗的高频电子器件及电路设计使微带技术发挥了优势。在射频电路和测量系统中,如混频器、功率放大器电路中的功率分配与耦合元件1 的性能将影响整个系统的通讯质量。文献 2 介绍了各种主要形式的功分器,随着技术的进步,目前已有双频功分器问世,文献3 ,4中介绍了双频威尔金森功分器设计。本文介绍一种3 dB 威尔金森功分器,在进行原理推导的基础上说明其工作方式,接着利用ADS 软件设计并仿真,根据得到的数据制作实验板。微带传输线是 20世纪 50 年代发展起来的一类微波传输线，具有小型、重量轻、频带宽、可集成化等优点，随着微波元件和系统的日益小型化和固态化，微带电路的应用也愈来愈广泛。微带传输线的传输特性与分析方法对新兴的毫米波传输线和光导纤维也有相似之处，可供借鉴。微带传输线的种类繁多，其基本结构形式可分为标准微带线（不对称微带线，简称微带）和带状线（对称微带线）是由介质基片一边的导体带和基片另一边的接地板所构成，导体带用印制技术敷在介质基片上。常用的介质基片材料为 99% Al2O3瓷、石英或蓝宝石等低损耗介质。接地板是铜板或铝板，导体带常用金、银、铜等良导体做成。微带结构简单，体积小，重量轻，加工方便，又便于与微波固体器件接成一体，容易实现微波电路的小型化和集成化，在微波集成电路中获得了广泛的应用。微带传输线广泛应用与各种电路系统中，随着微波通信的发展和射频技术的广泛应用，以及多信道传输的应用，为适应分支后传输信号，因此功率分配器在微波领域有了广泛的应用。将一路微波功率按一定比例分成n路输出的功率元件称为功率分配器。按输出功率比例不同, 可分为等功率分配器和不等功率分配器。在结构上, 大功率往往采用同轴线而中小功率常采用微带线。射频/微波技术中采用功率分配后再分别进行传输，然后合成一路信号，使传输更有效进行。 而最简单的功率分配器是一分为二功率分配器。微带线3dB功率分配器为一分为二等分器，本设计针对微带功分器的实现电路和仿真进行详细讨论，并对其参数进行优化，使功分器达到更好的分配效果。随着无线通信技术的快速发展,各种通讯系统的载波频率不断提高,小型化低功耗的高频电子器件及电路设计使微带技术发挥了优势。在射频电路和测量系统中,如混频器、功率放大器电路中的功率分配与耦合元件 的性能将影响整个系统的通讯质量。随着技术的进步,目前已有双频功分器问世,文献3 ,4中介绍了双频威尔金森功率功分器设计。本论文介绍一种3 dB 威尔金森功率 功分器,在进行原理推导的基础上说明其工作方式,接着利用ADS 软件设计并仿真,在根据要求对参数进行优化。最后根据得到的数据制作电路板。12 国内外研究现状和发展趋势微带传输线是20世纪50年代发展起来的一类微波传输线，具有小型、重量轻、频带宽、可集成化等优点，随着微波元件和系统的日益小型化和固态化，微带电路的应用也愈来愈广泛。1982年以来开展了超导微带线（Nb）的研究工作。在1986年，就有把时域有限差分法用于分析屏蔽微带线的色散特性，首先确定传输线的波导波长。也就是在传输线的两端加短路板所构成的谐振的长度的二倍，再搜索相应的各种模式的谐振频率。在未来的微带线工程中，微波印制板电路是微波系统小型化的关键，目前微带线工程的发展趋势往下面几个方向发展。（1）设计要求高精度。微波印制板的图形制造精度将会逐步提高，但受印制板制造工艺方法本身的限制，这种精度提高不可能是无限制的，到一定程度后会进入稳定阶段。而微波板设计内容将会有很大程度的丰富。 （2）实现计算机控制。传统的微波印制板生产中极少应用到计算机技术。但随着CAD技术在设计中的广泛应用，以及微波印制板的高精度、大批量，在微波印制板制造中大量应用计算机技术已成为必然的选择 （3）高精度图形制造。微波印制板的高精度图形制造，与传统的刚性印制板相比，向着更专业化方向发展，包括高精度摸板制造、高精度图形转移、高精度蚀刻等相关工序的生产及过程控制技术，还包括合理的制造工艺路线安排。 （4）表面镀覆多样化。随着微波印制板应用范围的扩大，其使用的环境条件也复杂化，但同时由于大量应用铝衬底基材，因而对微波印制板的表面镀覆及保护，在原有化学沉银及镀锡铈合金的基础上，提出了更高的要求。（5）数控外形加工。微波印制板的外形加工，特别是带铝衬板的微波印制板的三维外形加工，是微波印制板批生产需要重点解决的一项技术。面对成千上万件的带有铝衬板的微波印制板，用传统的外形加工方法既不能保证制造精度和一致性，更无法保证生产周期，而必须采用先进的计算机控制数控加工技术。（6）批生产检验。微波印制板与普通单双面板和多层板不同，不仅其者结构件、连接件的作用，更重要的是作为信号传输线的作用。这就是说，对高频信号和高速数字信号的传输用微波印制板的电气测试，不仅要测量线路（或网络）的“通断”和“短路”等是否符合要求，而且还应测量特性阻抗值是否在规定的合格范围内。高精度微波印制板有大量的数据需要监狱，如图形精度、位置精度、重合精度、镀覆层厚度、外形三维尺寸精度等。现行方法基本是以人工目视检验为主，辅以一些简单的测量工具。这种原始而简单的检验方法很难应对大量拥有成百上千数据的微波印制板批生产要求，不仅检验周期长，而且错漏现象多，因而迫使铝衬板的微波印制板制造向着批生产检验设备化方向发展。在射频电路和测量系统中,如混频器、功率放大器电路中的功率分配与耦合元件的性能将影响整个系统的通讯质量。因此功率分配器在射频电路和测量系统中有着重要的意义，早在1981年美国ITT公司砷化镓技术中心折寿研制快带MMIC，后来由美国国防部高级研究计划局（ARPA）主持制定、于1987年启动并于1994年完成的MIMIC计划的重要认为之一也是开发宽带MMIC，已有包括低噪声放大器等几十大类数千个型号的通用宽带MMIC芯片、组件、子系统直接应用于电子战系统，并显示了其优越性。由于1988年后生产的功分器基本上都能支持800-2500MHz段，因此功分器基本上可以利用现有设备，主要新增支持800-2500MHz段信号的滤波合路器。2000年，由于中四从5月10日起改为数字传送，遂改用数字接收机接收，但收不到数字信号，核对数字接收机中四的各项参数正确无误，怀疑接收机有问题，此事证明了功分器能传送模拟信号而不能传送数字信号。 在未来的发展中，大功率微波信号的传输越来越重要，而微带线在一定程度上不能支持这种大功率的传输，因此功率分配器在微波信号的传输中用得越来越多。而未来的微波信号对频率的要求也逐渐提升，频带宽度也日渐加宽，高功率、宽频带的功率放大器将会有更多的研究前景。13本文研究的主要内容、目标与方法与内容安排本课题先对几种使用较多的3dB功率分配器进行描述，并结合本课题的要求选择一种适合的功率分配器;接着对选定的功率分配器进行原理性分析;最后利用ADS (Advanced Design System)仿真设计软件来进行功分器的仿真设计。微波功率分配器通常采用的是T形接头或T形接头的变形。它的类型很多，有波导型、同轴线型、带状线型及微带线型等。波导或同轴线结构通常适用于大功率信号情况，而中小功率则采用带状线或微带线结构。在本课题中，考虑了电路性能以及整体的小型化和一体化，决定在功率分配网络的设计中采用微带线结构。影响功率分配网络效率的因素主要有两点:电路传输损耗，各路信号幅度和相位的一致性。为了提高功率分配器的效率，其应当具有低附加损耗、各输入端口的高隔离度、相等的输入/输出阻抗，以及输入/输出端的低电压驻波系数。结合本设计，由于线性功放对上下两路信号的相位以及幅度的一致性要求比较高，因此在这里采用威尔金森(Wilkinson)结构的微带电路来设计本论文中的功率分配网络。而且，威尔金森(Wilkinson)结构的微带电路具有电路结构相对简单，尺寸小等优点。第一章简述了本论文研究的目的和意义，概述了国内外研究现状和发展趋势，说明了发展二等分功率分配器的重要性。第二章介绍了传输线理论并介绍了几种波型的传输用哪些传输线以及研究传输线的方法和注意的问题。再介绍了微带线传输线的发展、特点和微带线参数选择原则。最后介绍了微带线用于功率分配器的具体问题，从而提出了本设计所研究的功率分配器的选择。第三章首先给出了功率分配器的概念的描述，介绍了几种功率分配器的分类方法，接着介绍了选择功率分配器的应该考虑的问题。最后介绍了功率分配器中二等分器的典型电路威尔金森（Wilkinson）功率分配器的原理和它的主要技术指标要求。第四章根据第三章介绍的威尔金森（Wilkinson）功率分配器的基本原理，简单介绍了ADS设计系统。并在ADS环境下设计了实现传输损耗为3dB的功率分配器。本章详细分析了各部分电路的设计原理和过程，并对其电路进行了仿真、优化。从仿真结果中可看到，电路实现了传输的技术指标要求。较好的实现了预期设计目标。第2章 微带线传输线21 传输线理论广义地讲，凡是能够导引电磁波沿一定方向传输的导体、介质或者由它们共同组成的导波系统，都可以称为传输线。传输线是微波技术中最重要的基本元件之一，这是因为它不仅可以把电磁波能量从一处传输到另一处，而且还可用它做为基本组成部分来构成各种用途的微波元（器）件。具体传输线的种类很多而且可以按不同的标准分类。若按传输线所导引的电磁波的波型（亦称模、场结构或者场分布）来划分，则可以分为三种类型：一，TEM波传输线一般TEM传输线由两个（或者两个以上）导体组成，用来传输横电磁波（TEM）。常用传输线有双线、同轴线、带状线和微带线等，它们都属于双导体传输系统，多导体传输系统也可以传输TEM波。他们结构如图2.1-1所示图2.1-1 TEM波和准TEM波传输线二，TE和TM波传输线如矩形、圆形、脊型和椭圆型波导等它们是由空心金属管构成的，属于但导体传输系统（双导体和多导体传输系统在一定垫肩下，例如，当传输线的横向尺寸与工作相比足够大时，也可以传输TE和TM波，但一般不常用，常用的主模TEM波）。图2.1-2给出了它们的结构示意图。图2.1-2 TE波和TM波传输线三，表面波传输线如介质波导（包括光波导），介质镜像线，以及单根的表面波传输线等，电磁波聚集在传输线内部及其表面附近沿轴线方向传播，一般的混合波型（TE和TM波的叠加），某种情况下也可以传播TE或者TM波。图2.1-3为这种传输线的结构示意图图2.1-3 表面波传输线传输线理论实际上是分布参数电路理论，它在高频以上的频率（VHF/UHF）中用来研究微波传输线和微波网络的理论基础，它将基本电路理论与电磁场理论相结合，具有重要的实用价值，传输线上电磁波的传输现象，可以认为是电路理论的扩展；也可用麦克斯威方程的特殊化来逼近，从而引出传输线上电磁波传播与空间平面波传播现象的类同性。 微波系统对传输线的基本要求是：工作频带宽（或者满足一定的要求）；功率容量大（或者满足一定的要求）；工作稳定性好：损耗小；尺寸小和成本低等。一般地讲，在米波或者分米波中的低频段范围内，可采用双导线或者同轴线；在厘米波范围内可采用空心金属波导管以及带状线和微带线等；在毫米波范围内可采用空心金属波导管、介质波导、介质镜像线和微带线；在光频波段则采用光波导（光纤）。以上划分主要是从减小损耗（导体损耗、介质损耗和辐射损耗）、屏蔽好、受外界干扰小，以及减小结构尺寸和工艺上的可实现性考虑的，并非只从频率的高低来考虑的，例如波导管，若用于米波或者分米波波段，一般地则因其尺寸过大，而不便于应用。例如，同轴线也可以用于厘米波或者毫米波范围；再如，双导线、同轴线、带状线和微带线等，在传输TEM（或者准TEM波）波的情况下，若不考虑其他因素，并无频率下限，即是说，即使是直流电也可以传输。由此可见，以上的划分只是大致的情况，其界限并不十分严格。 传输线理论主要包括两方面的内容：一是研究所传输波型的电磁波在传输线横截面内的电场和磁场的分布规律（亦称场结构、模、波型），称为横向问题；二是研究电磁波沿传输线轴向的传输特性和场的分布规律，称为纵向问题。横向问题要通过求解电磁场的边值问题来解决，不同类型或者同一类型但结构形式不同的传输线，具有不同的边界条件，应分别加以研究。但是各类传输线的纵向问题却有很多共同之处，例如，都是沿轴线方向把电磁波的能量从一处传向另一处，都是一种波的传播（波动），而且，由于传输线终端所接的负载的不同，当沿着传输线的纵向观察时，可能是行波、行驻波、或者纯驻波，因此，尽管传输线类型不同，但都可以用相同的物理量来加以描述。可见，如果我们的着重点不是各类传输线的横截面内的场结构（横向问题），而是它的纵向问题，则可以用一个等效的简单传输线（如双导线或者同轴线）来描述。简单传输线的纵向问题，可以用场的方法来分析；在求得传输线分布参数之后，也可以用路的方法来分析。前者是根据边界条件和初始条件求电磁场波动方程的解，得出电磁场随时间和空间的变化规律；后者是利用分布参数电路的理论（传输线的电路模型）来分析电压波（与电场对应）和电流波（与磁场对应）随时间和空间的变化规律。实际上，这是对同一客观事物的两种不同描述方法。而出于简便、易懂，一般采用路的方法来分析传输线的纵向问题。22 微带线221 微带传输线微带传输线是20世纪 50 年代发展起来的一类微波传输线，具有小型、重量轻、频带宽、可集成化等优点，最普遍使用的平面传输线之一，主要是因为它可以用以光刻工艺制作，并且易于与其他无源和有源器件集成。随着微波元件和系统的日益小型化和固态化，微带电路的应用也愈来愈广泛。当然，微带传输线与同轴线和波导相比，也有某些缺点，枢要是损耗大，Q值低和难以承受较大的功率，目前只实用于小功率范围，此外，为了提高可靠性，工艺水平也有待进一步完善和提高。微带传输线的传输特性与分析方法对新兴的毫米波传输线和光导纤维也有相似之处，可供借鉴。微带传输线的种类繁多，其基本结构形式可分为标准微带线（不对称微带线，简称微带）和带状线（对称微带线）是由介质基片一边的导体带和基片另一边的接地板所构成，导体带用印制技术敷在介质基片上。常用的介质基片材料为 99%陶瓷、石英或蓝宝石等低损耗介质。接地板是铜板或铝板，导体带常用金、银、铜等良导体做成。微带结构简单，体积小，重量轻，加工方便，又便于与微波固体器件接成一体，容易实现微波电路的小型化和集成化，在微波集成电路中获得了广泛的应用。微带线是一种准TEM波传输线，结构简单，计算复杂。由于各种设计公式都有一定的近似条件，因而很难得到一个理想的设计结果，但都能够得到比较满意的工程效果。加上实验修正，便于器件的安装和电路调试，产品化程度高，使得微带线已成为射频/微波电路中首选的电路结构。目前，微带传输线可分为两大类，一类是射频/微波信号传输类的电子产品这类产品与无线电的电磁波有关，它是以正弦波来传输信号的，如雷达、广播电视和通信；另一类是高速逻辑信号传输类的电子产品，这一类产品是以数字信号传输的，同样也与电磁波的方波传输有关，这一类产品开始主要应用在计算机等中，现在已迅速推广应用到家电和通信类电子产品上了。为了达到高速传送，对微波印制板基板材料在电气特性上有明确的要求。在提高高速传送方面，要实现传输信号的低损耗。低延迟，必须选用介电常数合适和介质损耗角正切小的基板材料进行严格的尺寸计算和加工。222 微带线基本设计参数及设计方法一 基本参数微带线横截面的结构如图2.2-1所示。相关设计参数如下： （1）基板参数：基板介电常数、基板介质损耗正切、基板高度h和导线厚度t。导带和底板（接地板）金属通常为铜、金、锡或铝。 （2）电特性参数：特性阻抗、工作频率、工作波长、波导波长和电长度（角度）。 （3）微带线参数：宽度W、长度L和单位长度衰减量。构成微带的基板材料、微带线尺寸与微带线的电性能参数之间存在严格的对应关系。微带线的设计就是确定满足一定点性能参数的微带物理结构。二 设计方法由于微带线的计算公式极为复杂，每个电路设计都要用一次相关公式是不现实的。经过几十年的发展，使得这一过程变得相当简单。微带线设计问题的实质就是求给定介质基板情况下阻抗与导带宽度的对应关系。目前使用的方法主要有：（1）查表格。早期微波工作者针对不同介质基板，计算出了物理结构参数与电性能参数之间的对应关系，建立了详细的数据表格。这种表格的用法步骤是：按相对介电常数选表格；查阻抗值、宽高比W/h、有效介电常数三者的对于关系，只要已知一个值，其他两个就可以查出；计算，通常h已知，则W可得，由求出波导波长，进而求出微带线长度。（2）用软件。许多公司已开发出了很好的计算微带电路的软件。如AWR的Microwave Office，输入微带的物理参数和拓扑结构，就能很快得到微带线的电性能参数，并可以调整或者优化微带线的物理参数。数学计算软件Mathcad11具有很强的功能。只要写如数学公式，就能完成计算任务。23 微带线用于功率分配器 微带线功率分配器的具体结构形式很多，其中较常用的是采用/4阻抗变换段的功率分配器；其功率可以是相等或者不相等的。为了更一般化，先介绍不等分功率分配器而等分功率分配器是不等分功率分配器的特例。图2.3-1是不等分功率分配器的一个原理性示意图。图2.3-1 配有隔离电阻的微带功率分配器这种功率分配器一般都有为了消除端口、端口之间耦合作用的隔离电阻R。设主臂（功率输入端）的特性阻抗为，支臂和的特性阻抗分别为和，他们的终端负载分别为和。假设微带线本身是无耗的，两个支臂对应点对地而言的电压是相等的，那么，就可以得到下列关系式： （2.3.1） （2.3.2） （2.3.3）又因为，所以有 （2.3.4） （2.3.5）式中的是比例系数可以取1（等功率情况）或者大于1和小于1（不等功率情况）。设和是从接头处分别向支臂和看去的输入阻抗，两者的关系是 （2.3.6）从主臂向两支臂看去，应该是匹配的，因此有 （2.3.7）或 （2.3.8）由此得 （2.3.9）因为和是给定的，这样，和即可求出，前面已经讲过，可见，只需选定或中的一个值，则另一个即可确定，为计算方便，通常可选取 （2.3.10） （2.3.11）根据式（2.3.8）、式（2.3.9）和式（2.3.10）、式（2.3.11）即可求出两个支臂的特性阻抗和分别为 （2.3.12） （2.3.13） 现在讨论隔离电阻R的作用及其值如何确定。倘若没有电阻R，那么当信号由支臂的端口输入时，一部分功率将进入主臂，另一部分功率将经过支臂而到达端口；反之，当信号又支臂的端口输入时，除一部分功率将进入主臂外，还有一部分功率将到达端口，即端口、之间相互影响（有耦合）。为了消除这种现象，而加了隔离电阻R。当信号自主臂输入时，由于R两端电位相等，无电流通过，不影响功率分配(相当R不存在一样)。若信号由端口输入，一部分能量经R到端口，另一部分，除经支臂输入主臂外，还有一部分经支臂到达端口，但这一部分与经R到达端口的信号，由于路程差而使它们的相位差n，从而使它们互相抵消， 端口3输出的能量极少：同理，当信号从端口输入时，端门的输出能量也极少。若R的值和位置选择合适，就能得到较好的隔离效果。 为了求出隔离电阻R的表示式，可以利用图632的示意图。图中和公式中的电压和电流是指其复振幅。设在端口上接入电压为U的信号源，这样就会在整个电路中引起电压和电流。设在端口、处的电压分别为、，电流分别为、，、，和。因为支臂和的长度l均为A4，所以，根据传输线理论可知对于支臂有 （2.3.14） (2.3.15)对于支臂有 (2.3.16) (2.3.17)另外，根据电路理论可知，在主臂和两个支臂的交接点处有 （2.3.18）在隔离电阻R与端口的交接点处有 （2.3.19）式中 （2.3.20）将式（2.3.14）和式（2.3.17）代入到式（2.3.18）中，得 （2.3.21）再将式（2.3.16）和式（2.3.20）代入到式（2.3.19）中，得 （2.3.22）或 （2.3.23）当端口、隔离，即端口无能量输出(实际上即)时，则由式(2.3.21)和式(2.3.22)可得 （2.3.24）在根据式（2.3.12）、式（2.3.13）和式（2.3.14），得 （2.3.25）顺便指出，利用网络理论中求导纳矩阵的方法，同样可以求出与式(2.3.25)完全相同的电阻R的表达式。在实际的微带电路中，隔离电阻只是由蒸发在介质基片上的镍铬合金或钽薄膜构成的。在波长较长的情况下，也可用一般的小型电阻焊接在导体带上。一般地讲，若两个支臂的间距不太大，外接的隔离电阻引线短则效果较好，否则隔离性能较差。在以上的分析中，曾假定、瑞口的负载分别为和，但在实际的应用中，瑞口、后面要接的一般都是特性阻抗等于的传输线，而为了保证所要求的功率分配比，则应在端口与传输线之间、端口与传输线之间分别加入一段4长的阻抗变换器，图2.3-2是这种图2.3-2 接有4阻抗变换器的功分器情况的示意图。设在瑞口后变换段的特性阻抗为，在端门后变换段的特性阻抗为，它们的表示式分别为 （2.3.26） （2.3.27）以上是对中心波长而言所得出的结果。当波长偏离中心波长时，性能会差些，即频带较窄，若要求频带宽些，则可采用多节的功率分配器。上述的功率分配器，它的逆过程就是功率合成器。利用微波网络理论可以证明：任何无耗的三瑞口网络不可能同时实现各端口的匹配和隔离；但是对于加了隔离电阻的三端口功率分配器，即成了有耗网络，因此各端口可以同时得到匹配和隔离。第3章 功率分配器31 功率分配器311 功率分配器的基本概念 功率分配器是将输入信号功率分成相等或不相等的几路功率输出的一种多端口微波网络。从理论上讲，无论是输出端间没有隔离的简单功分器还是有隔离的混合型功分器；也无论是功率等分的还是不等分的功分器,均可作成任意路数输出。但是,在平面型微波集成电路中,直接分成多路输出的只有简单功分器才能实现。混合型功分器,由于平面电路上要对称地安置几个隔离电阻在结构上有困难,一般只能作成两路的功分器。因此设计实用的新型功分器有实际价值。功分器可以采用腔体和微带的方法。腔体插损较小，功率容量较大，不过方向性一般用于单向. 而微带线设计方法就比较灵活，最简单的可以在输出端口加单向铁氧体，为了减小体积，提高性能，目前最通用的还是威尔金森功率分配器的设计思想。312 二分器的基本原理一分为二功率分配器原理：一分为二功率分配器是三端口网络结构，如图3.1-1所示。信号输入端的功率为，而其他两个输出端口的功率等率分别为和。由能量守恒定律可知=+ 。 如果（dbm）=（dbm），三端功率间的关系可写成 （dbm）=（dbm）=（dbm）-3dB当然，并不一定要等于，只是相等的情况在实际电路中最常用。因此，功率分配器可分为等分型（=）和比例型（=k）两种类型。 313 功率分配器的分类功率分配器的分类方法有几种常见的分类有一 根据结构不同，功分器可以划分为无源功分器和有源功分器两大类。无源功分器由微带线构成，它的主要特点是：（1）工作稳定；（2）结构简单；（3）基本上无噪声。它的主要缺点是接入损耗比较大。有源功分器由放大器组成，它的主要特点是：（1）有增益；（2）隔离度较高。它的主要缺点是有噪声、结构相对复杂一些、工作稳定性相对较差。二 根据使用的电路材料等不同可以分为集总参数型功率分配器和分布参数型功率分配器。微带型功率分配器属于分布参数功率分配器。 三 根据输出功率比例不同, 可分为等功率分配器和不等功率分配器。四 根据输出端口的数目，常见的功率分配器可以分为二功分器、三功分器，四功分器，八功分器、十二功分器等等。32 常用的功率分配元器件在微波系统中, 往往需将一路微波功率按比例分成几路, 即是功率分配问题。实现这一功能的元件称为功率分配元器件, 主要包括: 定向耦合器、 功率分配器以及各种微波分支器件。 这些元器件一般都是线性多端口互易网络, 因此可用微波网络理论进行分析。下面就分别介绍这三类元器件。 321定向耦合器定向耦合器是一种具有定向传输特性的四端口元件, 它是由耦合装置联系在一起的两对传输系统构成的，如图3.2-1所示，图中“、”是一条传输系统，称为主线；“、”为另一条传输系统, 称为副线。耦合装置的耦合方式有许多种, 一般有孔、分支线、耦合线等, 形成不同的定向耦合器。图5-13 定向耦合器的原理图本节首先介绍定向耦合器的性能指标, 然后介绍波导双孔定向耦合器、双分支定向耦合器和平行耦合微带定向耦合器。1) 定向耦合器的性能指标定向耦合器是四端口网络，端口“”为输入端，端口“”为直通输出端，端口“”为耦合输出端，端口“”为隔离端，并设其散射矩阵为S。描述定向耦合器的性能指标有: 耦合度、隔离度、 定向度、输入驻波比和工作带宽。下面分别加以介绍。 （1） 耦合度 输入端“”的输入功率和“耦合输出端”的输出功率之比定义为耦合度，记作C（2）隔离度 输入端“”的输入功率和“隔离端“”的输出功率之比定义为隔离度，记作I。（3）定向度耦合端“”的输出功率与隔离端“”的输出功率之比定义为定向度，记作D。 (4) 输入驻波比 端口“、 、 ”都接匹配负载时的输入端口“”的驻波比定义为输入驻波比，记作。 (5) 工作带宽工作带宽是指定向耦合器的上述C、 I、 D、 等参数均满足要求时的工作频率范围。 2) 波导双孔定向耦合器 波导双孔定向耦合器是最简单的波导定向耦合器, 主、副波导通过其公共窄壁上两个相距d=(2n+1)g0/4 的小孔实现耦合。其中，g0是中心频率所对应的波导波长, n为正整数, 一般取n=0。耦合孔一般是圆形, 也可以是其它形状。定向耦合器的结构如图 3.2-2所示, 下面简单介绍其工作原理。图 3.2-2 定向耦合器的结构图 根据耦合器的耦合机理，画出如图2.3-3所示的原理图。设端口“”入射波(u+1=1), 第一个小孔耦合到副波导中的归一化出射波为u-41=q和u-31=q, q为小孔耦合系数。假设小孔很小, 到达第二个小孔的电磁波能量不变, 只是引起相位差(d), 第二个小孔处耦合到副波导处的归一化出射波分别为u-42=qe-jd和 u-32=qe-jd, 在副波导输出端口“”合成的归一化出射波为u-3=u-31e-jd+u-32=2qe-jd副波导输出端口“”合成的归一化出射波为u-4=u-41+u-42e-jd=q(1+e-j2d)=2qcosde-jd由此可得波导双孔定向耦合器的耦合度为小圆孔耦合的耦合系数为式中, a、b分别为矩形波导的宽边和窄边；r为小孔的半径；是TE10模的相移常数。而波导双孔定向耦合器的定向度为图3.2.3波导双孔定向耦合器原理图 当工作在中心频率时, d=/2, 此时D; 当偏离中心频率时, secd具有一定的数值, 此时D不再为无穷大。实际上双孔耦合器即使在中心频率上, 其定向性也不是无穷大, 而只能在30dB左右。 由式(5 - 2 - 9)可见, 这种定向耦合器是窄带的。 总之, 波导双孔定向耦合器是依靠波的相互干涉而实现主波导的定向输出, 在耦合口上同相叠加, 在隔离口上反相抵消。 为了增加定向耦合器的耦合度，拓宽工作频带, 可采用多孔定向耦合器, 关于这方面的知识, 读者可参阅有关文献。 3) 双分支定向耦合器 双分支定向耦合器由主线、副线和两条分支线组成, 其中分支线的长度和间距均为中心波长的1/4, 如图 3.2-4所示。 设主线入口线“”的特性阻抗为Z1=Z0, 主线出口线“”的特性阻抗为Z2=Z0k(k为阻抗变换比), 副线隔离端“”的特性阻抗为Z4=Z0, 副线耦合端“”的特性阻抗为Z3=Z0k, 平行连接线的特性阻抗为Z0p, 两个分支线特性阻抗分别为Zt1和Zt2。下面来讨论双分支定向耦合器的工作原理。 假设输入电压信号从端口“”经A点输入, 则到达D点的信号有两路, 一路是由分支线直达, 其波行程为g/4, 另一路由ABCD, 波行程为3g/4; 故两条路径到达的波行程差为g/2, 相应的相位差为, 即相位相反。图3.2-4 双分支定向耦合器因此若选择合适的特性阻抗, 使到达的两路信号的振幅相等, 则端口“”处的两路信号相互抵消, 从而实现隔离。 同样由AC的两路信号为同相信号, 故在端口“”有耦合输出信号, 即端口“”为耦合端。耦合端输出信号的大小同样取决于各线的特性阻抗。 下面给出微带双分支定向耦合器的设计公式。 设耦合端“”的反射波电压为|U3r|, 则该耦合器的耦合度为各线的特性阻抗与|U3r|的关系式为可见，只要给出要求的耦合度C及阻抗变换比k, 即可由式(5 - 2 - 10)算得|U3r|, 再由式(5 - 2 - 11)算得各线特性阻抗, 从而可设计出相应的定向耦合器。对于耦合度为3dB、阻抗变换比k=1的特殊定向耦合器, 称为3dB定向耦合器, 它通常用在平衡混频电路中。此时分支线定向耦合器的带宽受g/4的限制, 一般可做到10%20%, 若要求频带更宽, 可采用多节分支耦合器。4) 平行耦合微带定向耦合器 平行耦合微带定向耦合器是一种反向定向耦合器, 其耦合输出端与主输入端在同一侧面, 如图 3.2-5 所示, 端口“”为输入口, 端口“”为直通口, 端口“”为耦合口, 端口“”为隔离口。 图 3.2-6 平行耦合微带定向耦合器 下面简单分析一下平行耦合微带定向耦合器的工作原理。 设平行耦合微带线的奇、 偶模特性阻抗分别为Z0o和Z0e, 令其中，为匹配负载阻抗, K为电压耦合系数。 设各端口均接阻抗为的负载, 如图3.2-6 所示, 根据奇偶模分析, 则可等效为图 3.2-7。 端口“”处输入阻为将式(5 -2 -14)代入上式(5 -2 -16)得 可见，ZoinZein=Z0eZ0o=Z20 。 由奇偶模等效电路得端口“”的奇偶模电压和电流分别为 代入式（5 -2 -15）并利用式（5 -2 -17）则有可见端口“”是匹配的, 所以加上的电压U0, 即为入射波电压, 由对称性可知其余端口也是匹配的。由分压公式可得端口“”的合成电压为将式(5 -2 -14)代入, 于是有耦合端口“”输出电压与端口“”输入电压之比为U4=U4e+U4o=U2e-U2o=0可见, 端口“”有耦合输出而端口“”为隔离端, 当工作在中心频率上, =/2, 此时U3=KU0可见端口“”、 “”电压相差 90, 相应的耦合度为于是给定耦合度C及引出线的特性阻抗Z0后, 由式(5 -2 -25)求得耦合系数K, 从而可确定Z0o和Z0e然后由此确定平行耦合线的尺寸。值得指出的是: 在上述分析中假定了耦合线奇偶模相速相同, 因而电长度相同, 但实际上微带线的奇偶模相速是不相等的, 所以按上述方法设计出的定向耦合器性能会变差。为改善性能, 一般可取介质覆盖、 耦合段加齿形或其它补偿措施, 图 5 - 18 给出了两种补偿结构。图 3.2-7 平行耦合微带定向耦合器的补偿结构322 功率分配器 将一路微波功率按一定比例分成n路输出的功率元件称为功率分配器。按输出功率比例不同, 可分为等功率分配器和不等功率分配器。在结构上, 大功率往往采用同轴线而中小功率常采用微带线。下面介绍两路微带功率分配器以及微带环形电桥的工作原理。 （1）两路微带功率分配器两路微带功率分配器的平面结构如图 5 - 19 所示, 其中输入端口特性阻抗为Z0, 分成的两段微带线电长度为g/4, 特性阻抗分别是Z02和Z03, 终端分别接有电阻R2和R3。功率分配器的基本要求如下：图3.2-8 两路微带功率分配器的平面结构 端口“”无反射； 端口“、 ”输出电压相等且同相; 端口“、 ”输出功率比值为任意指定值, 设为根据以上三条有这样共有R2、R3、Z02、Z03四个参数而只有三个约束条件, 故可任意指定其中的一个参数, 现设R2=kZ0, 于是由上两式可得其它参数: 实际的功率分配器终端负载往往是特性阻抗为Z0的传输线, 而不是纯电阻, 此时可用g/4阻抗变换器将其变为所需电阻, 另一方面U2、U3等幅同相, 在“、”端跨接电阻Rj, 既不影响功率分配器性能, 又可增加隔离度。于是实际功率分配器平面结构如图 5 - 20 所示。图3.2-8 实际功率分配器平面结构图其中Z04、Z05及Rj 由以下公式确定: (2) 微带环形电桥 微带环形电桥是在波导环形电桥基础上发展起来的一种功率分配元件。 其结构原理图如图 5 - 21 所示, 它由全长为3g/2的环及与它相连的四个分支组成, 分支与环并联。 其中端口“”为输入端, 该端口无反射, 端口“、 ”等幅同相输出, 而端口“”为隔离端, 无输出。其工作原理可用类似定向耦合器的波程叠加方法进行分析。在这里不作详细分析, 只给出其特性参数应满足的条件。 图 3.2-9 微带环形电桥结构设环路各段归一化特性导纳分别为a、 b、 c, 而四个分支的归一化特性导纳为1。则满足上述端口输入输出条件下, 各环路段的归一化特性导纳为而对应的散射矩阵为323 波导分支器将微波能量从主波导中分路接出的元件称为波导分支器, 它是微波功率分配器件的一种, 常用的波导分支器有E面T型分支、H面T型分支和匹配双T。 (1) E-T分支 E面T型分支器是在主波导宽边面上的分支, 其轴线平行于主波导的TE10模的电场方向, 简称E-T分支。其结构及等效电路如图 5 - 22 所示, 由等效电路可见, E-T分支相当于分支波导与主波导串联。 图3.2-10 E-T分支结构及等效电路当微波信号从端口“”输入时, 平均地分给端口“、 ”, 但两端口是等幅反相的; 当信号从端口“、”反相激励时, 则在端口“”合成输出最大; 而当同相激励端口“、”时, 端口“”将无输出。 由此可得E-T分支的S参数为(2)H-T分支 H-T分支是在主波导窄边面上的分支, 其轴线平行于主波导TE10模的磁场方向, 其结构及等效电路如图 5 - 23 所示, 可见H-T分支相当于并联于主波导的分支线。图 3.2-11 H-T分支结构及等效电路 当微波信号从端口“”输入时, 平均地分给端口“、”, 这两端口得到的是等幅同相的TE10波; 当在端口“、”同相激励时, 端口“”合成输出最大, 而当反相激励时端口“”将无输出。 H-T分支的散射矩阵为(3) 匹配双T 将E-T分支和H-T分支合并, 并在接头内加匹配以消除各路的反射, 则构成匹配双T, 也称为魔T, 如图 5 - 24 所示。它有以下特征：图 3.2-12 魔T的结构 四个端口完全匹配; 端口“、 ”对称, 即有S11=S22; 当端口“”输入, 端口“、”有等幅同相波输出, 端口“”隔离; 当端口“”输入, 端口“、 ”有等幅反相波输出, 端口“”隔离; 当端口“”或“”输入时, 端口“、”等分输出而对应端口“”或“”隔离; 当端口“、 ”同时加入信号, 端口“”输出两信号相量和的 倍, 端口“”输出两信号差的 倍。 端口“”称为魔T的H臂或和臂, 而端口“”称为魔T的E臂或差臂。根据以上分析, 魔T各散射参数有以下关系：网络是无耗的, 则有S+S=I以上两式经推导可得魔T的S矩阵为 总之, 魔T具有对口隔离, 邻口 3 dB耦合及完全匹配的关系, 因此它在微波领域获得了广泛应用, 尤其用在雷达收发开关、 混频器及移相器等场合。33 功率分配器的选择原则 一般而言，在选择对功率分配器时应注意以下几点: （1）分配网络应当具有低的附加损耗，使得输入(输出)信号功率电平接近于各路输出(输入)信号功率电平之和; （2）分配网络应当不改变电路中其他部件的可靠性、稳定性和信号特性; （3）分配网络的各输入端口应当具有足够的隔离作用，使得各路放大器互不影响;（4）分配网络通常具有相等的输入和输出阻抗;（5）分配网络的输入输出端应当具有低的电压驻波系数。实现微带3dB功率分配器可以采用腔体和微带的方法。腔体插损较小，功率容量较大，不过方向性一般用于单向。而微带线设计方法就比较灵活，最简单的可以在输出端口加单向铁氧体，为了减小体积，提高性能，目前最通用的还是威尔金森功率分配器的设计思想。 34 威尔金森功率分配器341 基本原理分布参数功率分配器的基本结构是威尔金森（Wilkinson）功率分配器。它是在微带T形接头的基础上发展起来的，结构较简单。这种功率分配器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的应用和发展。工程中大量使用的是微带线形式，大功率情况下可能会用道空气同轴线形式。微带功分器可以进行任意比例的功率分配，这里只考虑等功分(3dB)情况，如图324(a)所示， 图3.4-1 用微带线实现等功率分配器上图是微带结构示意图，是做成电路板后的模型图。而图3.4-2是两路微带线威尔金森功率分配器示意图。它是一个功率等分器，是特性阻抗，是信号的波导波长，是隔离电阻。当信号从端口1输入时，功率从端