功分器微型化及其s参数研究
摘 要在现代的微波技术领域中，功分器具有极为重要的作用。本课题将深入研究功分器的结构、原理、性能指标。根据要求设计符合要求的功分器。本文采用Wilkinson功分器进行研究，并设计工作在X波段的功分器。首先了解Wilkinson功分器的定义以及其原理，弄清楚设计功分器所需要达成的指标以及传输线理论。本次课题功分器的设计需要各端口之间匹配，所以功分器的输入/输出端口使用特征阻抗为50Ω的共面波导，四分之一波长线选择使用特征阻抗为70.7Ω的非对称共面带线来实现。然后通过理论计算和高频结构仿真软件HFSS的仿真验证初步确定四分之一波长传输线和输入/输出端口共面波导的尺寸。再通过HFSS在不同尺寸条件下对功分器进行模拟，得出符合要求的功分器,再由HFSS求解功分器S参数。课题要求实现功分器的微型化，本文采用了电容补偿法来达成要求，通过添加补偿电容弥补缩短功分器四分之一波长线所减少的寄生电容来达到相同传输效果，并由此实现功分器尺寸的微型化。理论计算出尺寸之后同样对不同尺寸的功分器模型仿真，得出最终符合要求的功分器尺寸，再由HFSS计算得出S参数，进行分析研究。完成功分器的微型化及其S参数研究之后，本文最后进行了总结与展望。
目 录
摘 要 I
Abstract II
第一章 绪论 1
1.1课题背景与意义 1
1.2功分器简介 1
1.3 Wilkinson功分器研究历史与现状 2
1.4设计思路与安排 4
1.5本章小结 5
第二章 仿真软件及相关理论 6
2.1仿真软件HFSS简介 6
2.2 Wilkinson功分器介绍 7
2.2.1 Wilkinson功分器基本原理 7
2.2.2功分器主要性能参数定义 8
2.3传输线理论与分析 9
2.3.1非对称共面带线分析 10
2.3.2共面波导分析 11
2.4 S参数理论 12
2.5本章小结 13
第三章 Wilkinson功分器的仿真 14
3.1 Wilkinson功分器各尺寸参数确定 14
3.1.1输入输出
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
端口尺寸参数确定 14
3.1.2四分之一波长传输线尺寸参数确定 16
3.1.3隔离电阻尺寸参数确定 18
3.2 Wilkinson功分器HFSS仿真与结果分析 18
3.3本章小结 22
第四章 Wilkinson功分器的微型化及仿真 23
4.1 Wilkinson功分器微型化原理 23
4.2微型化功分器参数确定 26
4.3微型化功分器HFSS仿真及结果分析 27
4.4本章小结 31
第五章 总结与展望 32
5.1本论文完成工作的总结 32
5.2前景与展望 33
致谢 34
参考文献 35
附录 38
英文文献翻译 38
英文原文 38
中文翻译 48
绪论
1.1课题背景与意义
功率分配器在微波设备中有很重要的作用[1]，各种微波设备中经常需要将一个输入功率按照一定的比例输出到各个支路上，比如在相控阵雷达中就需要将发射机功率分配到各个发射单元；功率分配器在多路中继通信机、卫星电视接收系统等等设备上都有着无可替代的作用。而在一些结构简单的设备中也经常使用定向耦合器作为功率分配器，但是定向耦合器的结构复杂，所以在器件比较多的设备中经常需要使用结构简单的功率分配器。
为了制作结构简单、性能良好、版图面积小的功分器，首先要对功分器有深入的了解，也需要学习相关理论并且在软件仿真平台上进行仿真。本文会详细介绍功分器的原理、结构、分类，为课题研究做好理论基础，再使用仿真软件完成设计。
本课题将对Wilkinson功分器进行仿真研究，并且实现功分器的微型化，缩小功分器的尺寸，这样使得在不影响性能的情况下功分器的适应性更广。
1.2功分器简介
功分器全称为功率分配器，英文名为Power divider。顾名思义，功率分配器是一种能够将一个输出功率分为两路或者多路功率输出的多端口器件。输出的功率因功分器的结构和种类不同可以是等分或者不等分的。也可以将功分器反过来使用，输入多路功率，通过功分器将多路功率合为一路，此时我们把功率分配器又叫做合路器。功分器在设计过程中需要涉及的主要技术参数为：传输线或者各端口在传输过程中的功率损耗；各端口的VSWR；功率分配器端口间的隔离度；功分器正常工作的频带宽度等。
从结构上功率分配器可以分成两类：无源功率分配器和有源功率分配器。无源功率分配器的主要优点是结构简单、工作稳定、噪声非常小，主要缺点则是接入损耗太大。有源功率分配器是由放大器组成的，由于存在放大器，所以它的主要优点是有增益，隔离度较高。与无源功率器相反，有源功率分配器的主要缺点是结构较复杂，工作稳定性较差，并且噪声相对较大。并且功率分配器的输出端口并不是固定的，它的作用决定了功率分配器无论是作为功率分配或是功率合成使用时，不能局限于两个或是三个输出端。在实际应用中经常需要功分器有多个输出端口。所以功分器可以有二端口，三端口甚至更多的端口，常见的能够达到具有十二个输出端口。
日常生活中常见的功分器如下表所示，分别为分支线定向耦合器、双线二分器和Wilkinson功分器。表中这些都是比较简单的微带功分器，结构都较为简单，表1.1对以上三种常见的功分器进行简单的性能对比。
表1.1常见功分器性能对比
种类性能
频带
同相输出
输出隔离
输出损耗
结构
分支线定向耦合器
窄
否
有
大
简单
双线二分器
宽
是
没有
大
简单
Wilkinson功分器
宽
是
有
小
简单
从表中能看出，相对而言Wilkinson功分器在性能上比较有优势，并且它的结构也很简单，这样可以减小设计的难度。所以选用Wilkinson功分器作为研究的基础。
1.3 Wilkinson功分器研究历史与现状
从1960年Ernest J.Wilkinson发表的论文[2] “An NWay Hybrid Power Divider”中介绍了所有端口均匹配并且隔离度高、损耗低、同相的N端口功率分配器后，人们便将上述的该类型功率分配器称为Wilkinson功分器。Wilkinson功分器最初使用的结构为同轴形式，经过多年的研究与发展，如今的Wilkinson功分器在微带线和带状线结构上也取得了相当大的突破。
现如今，Wilkinson功分器在实际应用中多使用微带结构、带状线结构或者腔体波导结构。腔体波导结构的功分器具有插入损耗小和平衡度好的优点，但是其隔离度比较差，并且制作工艺复杂。相比较而言，微带线、带状线结构的功分器由于物理结构简单，所以制作简单，但缺点是相对的工作带宽比较小。所以上文中各类传输线结构的共面功分器正常工作的频带范围一般只限于在微波波段内的窄频带。在地与微波波段以下的频率范围，以上结构功分器的制作会变得非常困难。
在Lu Fan的论文提到了使用共面波导和非对称共面带线功分器的设计方法[3]。在微波集成电路(MIC)和单片微波/毫米波集成电路(MMIC)设计领域中，共面波导、共面带线、槽线的应用十分广泛。一种使用单节或是双节共面波导的新型功分器已经被研究出来。这些电路提供了比常规微带功率分配器更宽的带宽性能。测量结果表明，单节CPW功率分配器在中心频率为3GHz具有大于20dB的隔离，小于0.3dB的插入损耗，一个0.2dB的功率分配不平衡，和一个2"的相位不平衡。双节CPW功率分配器在带宽中心为3 GHz具有大于24 dB的隔离，小于0.5dB的插入损耗，一个 0.1dB的功率分配不平衡，和一个1.6"的相位失衡。实验结果与计算的结果有着良好的吻合度。高性能和低成本的微波器件和组件的发展满足了新的无线通信系统的需求。功分器在微波集成电路(MIC)中有着广泛的应用比如：混频器，平衡放大器，移相器，天线阵列的馈电网络等等。
目 录
摘 要 I
Abstract II
第一章 绪论 1
1.1课题背景与意义 1
1.2功分器简介 1
1.3 Wilkinson功分器研究历史与现状 2
1.4设计思路与安排 4
1.5本章小结 5
第二章 仿真软件及相关理论 6
2.1仿真软件HFSS简介 6
2.2 Wilkinson功分器介绍 7
2.2.1 Wilkinson功分器基本原理 7
2.2.2功分器主要性能参数定义 8
2.3传输线理论与分析 9
2.3.1非对称共面带线分析 10
2.3.2共面波导分析 11
2.4 S参数理论 12
2.5本章小结 13
第三章 Wilkinson功分器的仿真 14
3.1 Wilkinson功分器各尺寸参数确定 14
3.1.1输入输出
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
端口尺寸参数确定 14
3.1.2四分之一波长传输线尺寸参数确定 16
3.1.3隔离电阻尺寸参数确定 18
3.2 Wilkinson功分器HFSS仿真与结果分析 18
3.3本章小结 22
第四章 Wilkinson功分器的微型化及仿真 23
4.1 Wilkinson功分器微型化原理 23
4.2微型化功分器参数确定 26
4.3微型化功分器HFSS仿真及结果分析 27
4.4本章小结 31
第五章 总结与展望 32
5.1本论文完成工作的总结 32
5.2前景与展望 33
致谢 34
参考文献 35
附录 38
英文文献翻译 38
英文原文 38
中文翻译 48
绪论
1.1课题背景与意义
功率分配器在微波设备中有很重要的作用[1]，各种微波设备中经常需要将一个输入功率按照一定的比例输出到各个支路上，比如在相控阵雷达中就需要将发射机功率分配到各个发射单元；功率分配器在多路中继通信机、卫星电视接收系统等等设备上都有着无可替代的作用。而在一些结构简单的设备中也经常使用定向耦合器作为功率分配器，但是定向耦合器的结构复杂，所以在器件比较多的设备中经常需要使用结构简单的功率分配器。
为了制作结构简单、性能良好、版图面积小的功分器，首先要对功分器有深入的了解，也需要学习相关理论并且在软件仿真平台上进行仿真。本文会详细介绍功分器的原理、结构、分类，为课题研究做好理论基础，再使用仿真软件完成设计。
本课题将对Wilkinson功分器进行仿真研究，并且实现功分器的微型化，缩小功分器的尺寸，这样使得在不影响性能的情况下功分器的适应性更广。
1.2功分器简介
功分器全称为功率分配器，英文名为Power divider。顾名思义，功率分配器是一种能够将一个输出功率分为两路或者多路功率输出的多端口器件。输出的功率因功分器的结构和种类不同可以是等分或者不等分的。也可以将功分器反过来使用，输入多路功率，通过功分器将多路功率合为一路，此时我们把功率分配器又叫做合路器。功分器在设计过程中需要涉及的主要技术参数为：传输线或者各端口在传输过程中的功率损耗；各端口的VSWR；功率分配器端口间的隔离度；功分器正常工作的频带宽度等。
从结构上功率分配器可以分成两类：无源功率分配器和有源功率分配器。无源功率分配器的主要优点是结构简单、工作稳定、噪声非常小，主要缺点则是接入损耗太大。有源功率分配器是由放大器组成的，由于存在放大器，所以它的主要优点是有增益，隔离度较高。与无源功率器相反，有源功率分配器的主要缺点是结构较复杂，工作稳定性较差，并且噪声相对较大。并且功率分配器的输出端口并不是固定的，它的作用决定了功率分配器无论是作为功率分配或是功率合成使用时，不能局限于两个或是三个输出端。在实际应用中经常需要功分器有多个输出端口。所以功分器可以有二端口，三端口甚至更多的端口，常见的能够达到具有十二个输出端口。
日常生活中常见的功分器如下表所示，分别为分支线定向耦合器、双线二分器和Wilkinson功分器。表中这些都是比较简单的微带功分器，结构都较为简单，表1.1对以上三种常见的功分器进行简单的性能对比。
表1.1常见功分器性能对比
种类性能
频带
同相输出
输出隔离
输出损耗
结构
分支线定向耦合器
窄
否
有
大
简单
双线二分器
宽
是
没有
大
简单
Wilkinson功分器
宽
是
有
小
简单
从表中能看出，相对而言Wilkinson功分器在性能上比较有优势，并且它的结构也很简单，这样可以减小设计的难度。所以选用Wilkinson功分器作为研究的基础。
1.3 Wilkinson功分器研究历史与现状
从1960年Ernest J.Wilkinson发表的论文[2] “An NWay Hybrid Power Divider”中介绍了所有端口均匹配并且隔离度高、损耗低、同相的N端口功率分配器后，人们便将上述的该类型功率分配器称为Wilkinson功分器。Wilkinson功分器最初使用的结构为同轴形式，经过多年的研究与发展，如今的Wilkinson功分器在微带线和带状线结构上也取得了相当大的突破。
现如今，Wilkinson功分器在实际应用中多使用微带结构、带状线结构或者腔体波导结构。腔体波导结构的功分器具有插入损耗小和平衡度好的优点，但是其隔离度比较差，并且制作工艺复杂。相比较而言，微带线、带状线结构的功分器由于物理结构简单，所以制作简单，但缺点是相对的工作带宽比较小。所以上文中各类传输线结构的共面功分器正常工作的频带范围一般只限于在微波波段内的窄频带。在地与微波波段以下的频率范围，以上结构功分器的制作会变得非常困难。
在Lu Fan的论文提到了使用共面波导和非对称共面带线功分器的设计方法[3]。在微波集成电路(MIC)和单片微波/毫米波集成电路(MMIC)设计领域中，共面波导、共面带线、槽线的应用十分广泛。一种使用单节或是双节共面波导的新型功分器已经被研究出来。这些电路提供了比常规微带功率分配器更宽的带宽性能。测量结果表明，单节CPW功率分配器在中心频率为3GHz具有大于20dB的隔离，小于0.3dB的插入损耗，一个0.2dB的功率分配不平衡，和一个2"的相位不平衡。双节CPW功率分配器在带宽中心为3 GHz具有大于24 dB的隔离，小于0.5dB的插入损耗，一个 0.1dB的功率分配不平衡，和一个1.6"的相位失衡。实验结果与计算的结果有着良好的吻合度。高性能和低成本的微波器件和组件的发展满足了新的无线通信系统的需求。功分器在微波集成电路(MIC)中有着广泛的应用比如：混频器，平衡放大器，移相器，天线阵列的馈电网络等等。
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