面粉南瓜饼射频功分器一分三的设计毕设论文

2021年1月19日发(作者：茅晚成)
安徽建筑工业学院



毕

业

设

计
(
论

文
)







专

业


通

信

工

程


班

级

08
通信
2
班

学生姓名


刘

静


学

号



课

题

基于
ADS
的微波器件设计与仿真





——
1
分
3
功分器的设计与仿真

指导教师

彭

金

花






2012
年

6
月


摘

要


随着现代电子和通信技术的飞跃发展，
信息交流越发频繁，
各种各样电子电
气设备已 大大影响到各个领域的企业及家庭。
在微波通信领域，
随着微波技术的
发展，
功分器作为一个重要的器件，
其性能对系统有不可忽略的影响，
因此其研
制技术也需要 不断的改进。

本文首先对功分器的基本理论、
性能指标作了简单介绍，
然后 阐述了一个具
体的一分三功分器的设计思路和过程，
并给出了设计的电路结构、
仿真结 果、
生
成了相应的
Layout
图，最后制作了版图。本文还用到了
ADS
和
AutoCAD
，在功
分器的具体电路结构建模、
仿真优化 和版图的生成上如何应用，
在设计过程中文
中都作出了相应的说明。




关键词
：
功分器；
ADS
；仿真






















Abstract
With
the
leap
development
of
the
modern
electronic
and
communication
technology and the more and more frequent information exchange, various kinds of
electrical
and
electronic
equipments
have
greatly
affected
business
and
home
in
all
domains.
In the field
of
microwave communication, along with
the development
of
microwave tec
hnology, as a key device, the influence of the splitters’ performance to
system
can
not
be
overlooked,
so
the
development
technology
needs
continuously
improved.
In this paper, the basic theory and the performance indicators of the splitters are
simply introduced, and then the design idea and process of a specific 1 into 3 splitters
are expatiated. The circuit structure, the simulation results and the Layout
chart are
also
givn.
Finally,
the
Territory
is
made.
ADS
and
AutoCAD
are
also
used
in
the
design. How to use them in the specific circuit modeling, simulation, optimization and
Territory formation are correspondingly described in the paper.
Key words
:
splitters;

ADS;

simulation























目录

第一章



引



言
................................................. .................................................. .....
1

1.1
微波技术简介
............ .................................................. ...................................
1

1.1.1
微波的概念介绍
......................... .................................................. .......
1

1.1.2
微波的主要特性
....... .................................................. .........................
2

1.1.3
微波的一些应用
....................................... ...........................................
2

1.2
功分器的概述
.................. .................................................. .............................
3

1.2.1< br>功分器设计背景
.................................... .............................................
3

1.2.2
国内外研究现状
................ .................................................. .................
4

第二章



微带传输线理论
................................... .................................................. .....
6

2.1
微带传输线简介
........... .................................................. ................................
6

2.2
微带线参数的计算方法
................................ .................................................
9

第三章



功分器的基本理论
.. .................................................. ................................
1
0

3.1
功分器的分类情况
.......................... .................................................. ...........
1
0

3.2
常用的功率分配器间的区 别
............................................. ..........................
1
0

3.3
功分器的基本原理
.................................. .................................................. ...
1
0

3.3.1
四分之一波长变换器
..... .................................................. ..................
1
0

3.3.2
功分器 的原理
........................................... ..........................................
1
2

第四章



功分器的设计
................................................. ...........................................
1
8

4.1
功分器性能参数介绍
........... .................................................. ...............................
1
8

4.1.1
输入驻波比
............................... .................................................. ........
1
8

4.1.2
频率范围
..... .................................................. ......................................
1
8

4.1.3
承受功率
.............. .................................................. .............................
1
8

4 .1.4
插入损耗
.................................. .................................................. .........
1
8

4.1.5
隔离度
..... .................................................. ..........................................
1
9

4.1.6 S
参数
............. .................................................. ..................................
1
9

4.2ADS
软件的简介
........................... .................................................. ...............
2
0

4.3
完成指标
.................................................. .................................................. ....
2
0

4.4
功分器的设计
......... .................................................. .....................................
2
0

4.4.1.
建立工程
............. .................................................. ..............................
2
1

4.4.2
设计原理图
........................... .................................................. ...........
2
1

4.4.3
基本参数设置
.................................................. ...................................
2
2

4.4 .4
功分器原理图仿真
........................ .................................................. ..
2
4

4.4.5
功分器的电路参数的优化
... .................................................. ...........
2
6

4.4.6
功分器版图的生成................................................ .............................
2
8

4.4.7
功分器版图的仿真
........................ .................................................. ..
3
0

第五章



总



结
............................... .................................................. .....................
3
2

参考文献
. .................................................. .................................................. .................
3
4



基于
ADS
的微波器件设计与仿真


—
1
分
3
功分器的设计与仿真




电子信息工程学院

通信工程专业
2008
级通信
2
班

刘静

指导老师：彭金花



第一章



引



言


1.1
微波技术简介

1.1.1
微波的概念介绍

近年来,
在无线电通信等应用中
,
不断使用越来越短的电磁波
,
如长波 、中
波、短波、超短波、微波、亚毫米波直到光波。

微波与无线电波、红外线、可见 光一样都是电磁波，微波是指频率为
300MHz-300KMHz
的电磁波，
即波长 在
1
米到
1
毫米之间的电磁波。微波频率比
一般的无线电波频率高， 通常也称为“超高频电磁波”
。

在微波频段范围内，一方面，其波长比普通无线电波 短得很多相应的频率
高得很多；另一方面，其波长又比可见光长得多，相应得频率也低得很多。因
而，微波波段具有自己的特点、应用领域和研究方法，它的产生、传输、辐射、
传播也与别的波段不同 。这就是将微波波段划出来进行专门研究的原因，同时
它也是更高频段研究的基础。


在通信和雷达工程中，常使用拉丁字母来代表微波波段的名称，列于表
1-1
。


表
1
－
1
微波波段的代号及对应的频率范围

波段

UHF
L
LS
S
频率范围
/GHz
0.3
－
1.12
1.12-1.7
1.7-2.6
2.6-3.95
波段

K
Ka
Q
U
频率范围
/GHz
18.0-26.5
26.5-40.0
33.0-50.0
40.0-60.0
C
XC
X
Ku
3.95-5.85
5.85-8.2
8.2-12.4
12.4-18.0
M
E
F
G
R
50.0-75.0
60.0-90.0
90.0-140.0
140.0-220.0
220.0-325.0

微波能通常由直 流或
50MHz
交流电通过特殊的器件来获得。
可以产生微波的
器件有许多种 ，但主要分为两大类：半导体器件和电真空器件。电真空器件是
利用电子在真空中运动来完成能量变换的 器件，或称之为电子管。在电真空器
件中能产生大功率微波能量的有磁控管，多腔速调管，微波三、四极 管，行波
管等。在目前微波加热领域特别是工业应用中使用的主要是磁控管及速调管。

1.1.2
微波的主要特性


纵观从低频无线电波、
微 波到可见光以至
X
射线、
?
射线的整个电磁波谱，
就可以发现，它们 虽然都同属于电磁波，但不同波段的电磁波具有各自不同的
性质。从微波来说，主要特性有：

(1)
微波源仍是单频、
偏振、
相干的，
因而可采用外差方法来接 受微波信号。

(2)
微波的波长短。微波的传输特性相似于几何光学，具有“似光性”
。

(3)
微波波长和一般物体的线性尺寸可比拟，
因而，
有可能采用成熟的几何
光学方法来设计各种微波仪器和设备，
如采用发射面或透镜来设计微波天线等。

( 4)
微波既是频率很高的波段，
也是频带极宽的波段，
具有通信容量高、
抗< br>干扰能力强的特性，因而可以用于多路通信。

(5)
微波可以穿透电离层，因而卫星通信必须采用微波。

(6)
水、< br>含水或脂肪的材料对微波有吸收作用。
正是利用这一点，
微波在工
农业的许多方 面得到应用。

1.1.3
微波的一些应用


根据微波的一些特性，我们可以得到它的一些简单的应用：


(1)
广播与电视。由于电台的增多，无线电波段日益拥挤，电台之间的相
互干扰变得严重。解决的唯 一办法是向高频发展。微波的频带比长波、中波、
短波与超短波的频带之和还要宽上
1
万倍左右。采用微波可传递多路广播与电
视信号。

(2)
通信。< br>中继通信一般采用厘米波，
其他利用微波的散射通信和卫星通信
都在迅速发展，微波通信 实际上是一种中继站在空中的微波中继通信。

(3)
雷达与导航。
为了适应各种不同的要求，
现代雷达的种类很多，
性能业
日益提高。除了军用以外，还 发展了多种民用雷达，如气象雷达、导航雷达、
汽车防撞雷达、防盗雷达等等。

( 4)
微波加热。微波加热是指一些有耗介质，特别是含水或含脂肪的材料，
吸收微波能量，并把它转化为热能。
其优点是加热均匀且内外同热，
热效率高，
不需传热过程，加 热时间短，便于自动控制和连续生产。

(5)
医学。
热效应在医疗 方面的应用，
除微波理疗机做透热医疗外，
还可以
利用微波进行局部加热杀死癌细胞。

(6)
能源。
可利用微波对电离层的穿透性，
把卫星上所 产生的电功率传递到
地面。

1.2
功分器的概述

1.2.1
功分器设计背景

功分器是将输入信号功率分成相等或不相等的几 路输出的一种多端口网
络，它广泛应用于雷达系统及天线的馈电系统中。功分器按照其功率分配比有相应的设计公式可较为容易的实现。等分功分器按其分配支路的数量可分为
2n+1
（奇） 等分和
2n
（偶）等分两类。后者的设计方法相对简单，只需要在最
基本的一分二功分 器上再等分即可。对于奇等分功分器，通常惯用的设计方法
是先
2
（
n+1< br>）等分，然后其中一路加负载，这种设计方法虽然简便，可是有着
结构受限，接负载端容易影响其 它端口相幅的一致性，并且插入损耗较大。

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。
在通讯设备中，功分器有着非常广泛的应用，例如在相控阵雷达系统中，
要将发射机功率 分配到各个发射单元中去。实际中常需要将某一功率按一定比
例分配到各分支电路中。
功分器种 类繁多，
常见的功分器有变压器式

、
微带式
或带状线式

、波导式和铁氧体式，它们各有优缺点和使用场合。

1.2.2
国内外研究现状

功率分配器作为一种低耗的无源器件广泛应用于 微波毫米波系统，其功能
是将输入功率分配到各个支路中。近年来，采用集成型的平面传输线设计的功< br>率分配器得到了快速的发展。在天线阵技术的馈电网络中，功率分配器可将功
率分配到各个阵列单 元。
功分网络中布线的设计质量直接影响整个天线的性能，
在实际设计中应考虑体积的小型化、 相位、驻波、各端口的匹配和加工精度等
问题，目前的文献大都是针对小型的
1-2
功 分网络。

功分器可以采用腔体和微带的方法。腔体插入损耗较小，功率容量较大，
不 过隔离度不好，但插入损耗和平衡度较好；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
Wilkinson
功率分配 器的设计思想。

微带功率分配器有简单和混合型两类。在平面型微波集成电路中，直接分成多路输出的只有简单的功率分配器才能实现，其加工工艺简单，但输出端不
匹配，各路输出之间隔 离很小，工作频带较窄。混合型功率分配器，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 ，故一般只能做成两路功率
分配器，最多不超过三路，但它改善了输出端的匹配，又增大了各输出端口之
间的隔离。混合型多路功率分配器通常是用数个两路功率分配器级联而成。另
外可用作功率分配 器的有微带线定向耦合器和环形电桥，但是它们一般并不称
为功率分配器，因为一个功率分配器应该只有 信号的输入端口和输出端口，而
不必有隔离端口。

在微带功分器中，
Wil kinson
功分器由于其自身结构的特点具有良好的特
性，是在毫米波微波大功率系统中应用 最广泛的一种形式，其功率分配可以是
相等的或不相等的。

威尔金森功分器一般只应用于
X
波段以下频率，当频率
升高就会出现许多 问题，比如隔离电阻相对于工作频率有一个谐振频率点，不
能再被看作是纯电阻，它的尺寸可与工作波长 相比拟，不能再看作集总元件。
为了得到高频段的谐振频率，电阻尺寸必须很小，这就意味着功分器的两 个分
支电路必须凑的很近才能与电阻相连，
但这样又会引起输出两支路间的强耦合，
破 坏了我们所要的功分比。

功分器现在有如下几种系列：

1
、400MHz-500MHz
频率段二、三功分器，应用于常规无线电通讯、铁路通
信以及
450MHz
无线本地环路系统。

2
、
800MHz-2 500MHz
频率段二、三、四微带系列功分器，应用于
GSM
／
CDMA/ PHS/WLAN
室内覆盖工程。

3
、
800MHz-2500M Hz
频率段二、三、四腔体系列功分器，应用于
GSM
／
CDMA/PHS/ WLAN
室内覆盖工程。

4
、
1700MHz-2500MHz< br>频率段二、三、
四腔体系列功分器，应用于
PHS/WLAN
室内覆盖工程。< br>
5
、
800MHz-1200MHz/1600MHz-2000MHz频率段小体积设备内使用的微带二、
三功分器。

第二章



微带传输线理论

2.1
微带传输线简介


微带是一种可以在印刷电路板
[PCB]
上制造的用来传播微波信号的传输线，

适合制作微波集成电路的平面结构传输线，如天线、耦合器、过滤器、电源分
隔等微波部件 都可以用微带线实现。相比于传统的波导技术来说，微带线是迄
今为止最便宜、
最轻便和最紧凑 的传输线。
与金属波导相比，
其优点有体积小、
重量轻、使用频带宽、可靠性高和制造 成本低等，
但损耗稍大、功率容量小。
60
年代前期，
由于微波低损耗介质材 料和微波半导体器件的发展，形成了微波
集成电路，使微带线得到了广泛应用，相继出现了各种类型的微 带线。

(1)
微带线的历史

微带线是一种类似于带状线和共面 波导的平面传输线。
微带线是由
ITT(
美
国国际电话电报公司
)< br>实验室研发的，
ITT
实验室研发微带线的目的是为了与带
状线的发展进行抗衡 。早期的微带线使用厚基板工艺，在微带线上就允许横电
磁波（
TEM
波）进行传播， 这样的话在微带线中传输的微波便非常复杂，难以
预料。
20
世纪
60
年代开始薄基板工艺开始广泛使用。

(2)
微带线概述

微带 线是由介质基片以及其两边的导体带条和接地板所构成，而带条图形
是用印刷技术敷在介质基片上的。其 结构如图
2-1
所示。




图
2-1
微带线结构图


其中，t
为金属导体厚度
,w
为金属导体宽度
,h
为介质厚度
,
ε
r
为介质衬底
的相对介电常数。

微带线及微带线构成 的各种电路
(
微波集成电路
)
是平面电路，与波导或同
轴线构成的电 路
(
相对的称为立体电路
)
相比较，
具有体积小、
重量轻、
成本低、
频带宽等优点；但有
Q
值低、功率容量小等缺点。此外，微带线不像 波导那样
是封闭的传输线，因此比较容易受到其他部件的辐射影响。

(3)
基本设计参数

微带线设计的实质是在给定情况下，由
Z
c< br>来确定导电带的宽度。其设计时
主要参考以下参数：

①基板参数：基片材料对 真空的相对介电常数
ε
r
；基板厚度
h
；导电带宽
度以及导 电带、底板金属的相关参数。

②微带线参数：特性阻抗

Z
0
、有效介电常数
ε
e
和衰减常数等。

③电性能参数：特性阻抗
Z
0
、工作频率
f
0
、工作波长
λ
电长度
(
角度
)
θ
。

(4)
微带线常用材料

导体带和接地板均由金属材料制成。对于金属材料有以下几点要求：

①高的导电率；

②低的电阻温度系数；

③对基片的附着性能好；

④好的刻蚀性和可焊接性；

⑤易于沉淀和电镀等。


对于介质基片材料的选择，应从如下几个方面综合考虑：

①相对介电常数较高，且随频率的变化小；

②材料的损耗小；

③介质纯度高，具有较好的均匀性及性能一致性；

④热导性及热稳定性好，且与导体的粘附性能好；

⑤有一定的机械强度且易于机械加工；

⑥抗腐蚀性强，化学性能稳定等。

因此，导体带和接地板均由导电良好的金属材料
(
如银、铜、金
)
构 成。介
质基片常用的材料有：金红石
(
纯二氧化钛
)
、氧化铝陶瓷、 蓝宝石、聚四氟乙
烯和玻璃纤维强化聚四氟乙烯。

(5)
微带线制作工艺


微带线或由微带线构成的微波元件，大都采用薄膜
(
如真空镀膜
)
和光刻等
0
、波导波长
?
g
和

工艺在介质基片上制作出来所需要的电 路。此外，也可以在介质基板两面敷有
铜箔的板，在板的一面用光刻腐蚀法制作出所需的电路，而板的另 一面的铜箔
板则作为接地板

(6)
微带线的计算公式：

微带线的有效介电常数可以解释为一个均匀媒质的介电常数，































ε
r
?
1
ε
r
?
1
1
ε
e
?
?
2
2
1
?
12
h
















(2-1)

W

这个均匀媒质取代了微带线的空气和电介质区域。

对于给定的特性阻抗
Z< br>0
和介电常数
?
r
，比值
W/h
可以求得为

当
W

W
8
e
A
?
2
A
h
?
2
时，

































(2-2)

h
e
?
2
当
W
?
r
?
1
?
W
2
?
0.61
?
??
ln(
B
?
1)
?
0.39
?
?< br>?

(2-3)

h
?
2
时，

?
?
B
?
1
?
ln(2
B
?1)
?
h
?
?
2
?
r
?
?< br>r
?
?

其中，

A
?








Z
0
60
?
r
?
1
2
?
?
r
?
1
?
0.11
?
0.23
?
?
?
?
r
?
1
?
?
r
?

377
?
B< br>?
2
Z
0
?
r
导波长计算公式













?
g
?
?
0
?
e

























(2-4)































微带线长度计算公式






??
g
L
?
2
?

























(2-5)

2.2
微带线参数的计算方法



由上述公式可以看出，计算公式极为复杂。每一个电路的设计都使使用一
次这 些公式是不现实的。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：①按相对
介电常数选表格；②查阻抗值、宽度比
W/h
、有效介电常数
?
e< br>三者之间的关系，
只要已知一个值，其他两个就可查出；③计算，通常
h
已知， 则
W
可得。由
?
e
求出波长，进而求出波导波长，进而求出微带线长 度。

2.
仿真软件

目前计算微带电路的仿真软件，如< br>ADS
、
Ansoft
、
MW
Office
等，输 入微带
的物理参数拓扑结构，就能方便得到微带线的电性能参数，并可调整或优化微
带线物理参 数。


















































































第三章



功分器的基本理论

3.1
功分器的分类情况

a
、按路数分为：
2
路、
3
路和
4
路及通过级联形成的多路 功率分配器。

b
、按结构分为：微带功率分配器及腔体功率分配器。

c
、根据电路形式可分为：微带线、带状线、同轴腔功率分配器。

d
、根据能量的分配分为：等分功率分配器及不等分功率分配器。

3.2
常用的功率分配器间的区别

常用的功率分配器都是等功率分配，从电路形式上来分， 主要有微带线、
带状线、同轴腔功率分配器，几者间的区别如下：

a
、同轴腔功分器优点是承受功率大，
插入损耗小，
缺点是输出端驻波比大，
而且输出 端口间无任何隔离。微带线、带状线功分器优点是价格便宜，输出端
口间有很好的隔离，缺点是插入损耗 大，承受功率小。

b
、
微带线、
带状线和同轴腔的实现形式也有所 不同：
同轴腔功分器是在要
求设计的带宽下先对输入端进行匹配，到输出端进行分路；而微带功 分器先进
行分路，然后对输入端和输出端进行匹配。

3.3
功分器的基本原理

3.3.1
四分之一波长变换器

微带 功分器的分支电路通常是用四分之一波长阻抗变换器，它是一种有用
而实际的阻抗匹配电路。

阻抗匹配的基本思想如图
3-1
所示，
它将匹配网络放在负载和传输线之间。
理想的匹配网络是无耗的，而且通常设计成向匹配网络看去输入阻抗为
Z
0
。 虽
然在匹配网络和负载之间有很多次反射，但是在匹配网络左侧传输线上的反射
被消除了。这个 过程也被认为是调谐。阻抗匹配或调谐的原因是很重要的，原
因如下所述：

（
1
）

当负载与传输线匹配时（假设信号源是匹配的），可传送最 大功率，
并且在馈线上功率损耗最小。

（
2
）

对阻抗匹配灵敏的接收机部件可改进系统的信噪比。

（
3
）

在功率分配网络中
（如天线阵馈电网络）
，
阻抗匹配可以降低振幅和
相位不平衡。

只要负载有非零实部，就能找到匹配网络。






匹配网络


负载
Z
L



图
3-1
阻抗匹配网络

四分之一波长变换器对于匹配实数负载阻抗到传输线，是简单而有用的电
路。如下图所示，若主传输线 的特性阻抗为
Z
0
，终端接纯电阻性负载
Z
L

， 但
Z
L
?
Z
0
，则可以在传输线与负载之间接入一特性阻抗 为
Z
01
、长度
l
?
?
4
的传
输 线段来实现匹配。









图
3-2
?
4
波长变换器

设此时
T
0
面上的反射系数为
?
，则




上式取模值为


L
0
?
?

(3-1)
Z
?
Z
?
Z
L
?
Z
0
?
?
2
j
Z
0
Z
L
tg
?

l
?
?
1
2
?
?
2
Z
0
Z
L
?
?
?
1
?
?
?
sec
?
?
?
?
?
?
Z< br>L
?
Z
0
?
?
?
?
1
2< br>(3-2)


在中心频率附近，上式可近似为

?
?
Z
L
?
Z
0
2
Z
0
Z
L
cos
?

(3-3)

当
?
= 0
时，反射系数的模达到最大值，由式（
3-3)
可以画出
?

随
?

变
化的曲线，如图
3-3
所示。
?
随
?

(
或频率
)
作周期变化，周期为
?
。如果设
?为反射系数模的最大容许值，则由
?
4
阻抗变换器提供的工作带宽对应于图中限定的频率范围（
Δ
?
）。由于当
?

偏离时曲线急速下降，所以工作带宽是很
窄的。









图
3-3
?
4
波长变换器在设计频率附近的
?
的近似形态

?
?
?
m
时

当





?
m
?
arccos

(3-4)

2
1
?
?
m
?Z
L
?
Z
0
?
m
2
?
Z0
Z
L
通常用分数带宽
W
q
表示频带宽度，
W
q
与
?
m
有如下关系

f
2
?< br>f
1
?
2
?
?
1
?
?
?< br>?
m
?
?
?
m
4

(3-5)

W
q
?
?
?
?
2
?
?
m
f
0
?
0
?
2
?
当已知
Z
L

和

Z
0
，且给定频带内容许的

?
m

时， 则由式（
3-5
）可计
?
m
，计算
算出相对带宽
W
q
值；反之，若给定
W
q
值，也可求出变换器的
中
?
m
取小于
?
2
的值。

对于单一频率或窄频带的 阻抗匹配来说，
一般单节变换器提供的带宽能
够满足要求。但如果要求在宽频带内实现阻抗匹配 ，那就必须采用多节阶梯
阻抗变换器或渐变线阻抗变换器。

3.3.2
功分器的原理

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
端口网络。

任意多分路单节的功分器的电路拓扑结构如图
3-4
所示：


图
3-4
功分器的电路示意图

其
中
（
a
）为
多路
普通
功
分器
的示
意图
，信
号
源与
负载
内阻
均为：
R
S
?
R
L
?
Z
0
；若为
N
等分，则

Z< br>1
?
Z
2
?
?
?
Z
n
，各 段长度均为：

?
4
。这
种功分器不能做到信道之间有隔离，也不能 做到各端口的完全匹配。

图
（
b
）
为混合型
N< br>路功分器，
不同之处在于各路输出端口均有一隔离电阻
R
与公共结点相连。可以 使输入功率分成大小不相等的
N
路输出，且各输出端
口同相位。若在输出端口反射，则 波将在支线交叉口再分配。由于各段长度为
?
4
。则往返的电长度为
?
，彼此相消，从而实现各输出端口之间的相互隔离。

一分三功分器是一个四端口网络，其
S
参数为：

[
S]
?
[
s
11
,
s
12
,
s
13
,
s
14
;
s
21
,
s22
,
s
23
,
s
24
;
s
31
,
s
32
,
s
33
,
s
34
;
s
41
,
s
42
,
s
43,
s
44
]

由于普通的无耗互易三端口网络不可能完全 匹配，且输出端口间无隔离，
工程上对信道之间的隔离要求又很高，因此常用混合型的功率分配器，该结 构
也称为威尔金森型功率分配器，它是有耗的三端口网络，是在毫米波微波大功
率系统中应用最 广泛的一种形式，其功率分配可以是相等的或不相等的。其不
等功率分配器的一个原理性示意图为图3-5
。








?
4

图
3-5
配有隔离电阻的微带功分器结构图

这种功率分配器一般都有消除②、③端之间耦合作 用的隔离电阻
R
。设主
臂①
(
功率输入端
)
的特性 阻抗为
Z
0
，支臂①
-
②和①
-
③的特性阻抗分别 为
Z
02
和
Z
03
，它们的终端负载分别为
R2
和
R
3
，电压的复振幅分别为
U
2
和
U
3
，功率
分别为
P
2
和
P
3
。
假设微带线本身是无耗的，两个支臂对应点对地
(
零电位
)
而言< br>的电压是相等的，那么，就可以得到下列的关系式：


P
2
?
U
2
2
2
R
2
2
(3-6)






U
P
3
?
3
2
R
3
又因
U
2
?
U
3
，所以有














(3-7)

2



























(3-8)




















P

3

?

k


P
2


























P


3





2



R


2



P
2

?
k
?
R
3












(3-9)



























































(3-10)

式中的
k
是比例系数，
k
可以取< br>1(
等功率情况
)
，或大于
1
和小于
1(
不 等功率
情况
)
。设
Z
i
2
和
Z
i
3
是从接头处分别向支臂①
-
②和①
-
③看去的输入阻抗， 两
者的关系是：



R
2
?
k
2
R
3
Z
i
2
?
k
Z
i
3

从主臂①向两支臂看去应该是匹配的，因此应有



或

2

















(3-11)

Z
i
2
Z
i
3
k
2
Z
0
?
?
Z
i
3
2
Z
i
2
?
Z
i
3
1
?
k
(3-12)
2
1
?
k

Z
i
3
?
2
Z
0
k
(3-13)

由此得

：
(3-14)
Z
i
2
?
1
?
k
2
Z
0

?
?

R
2
?
k2
R
3
，
因为
Z
0
和
k
是给 定的，
这样
Z
i
2
和
Z
i
3
即可 求出。
前面己经讲过，
可见，只需选定
R
2
和
R
3
中的一个值，则另一个即可确定，
为计算方便，通常可
选取

(3-15)
Z
R
3
?
0
R
2
?
kZ
0
k

根据式
(3-14)
，
(3-15)
和式
(3-16)
即可求出两个支臂的特性阻抗
Z
02
和< br>Z
03
分别为


(3-16)
(3-17)
Z
02
?
Z
i
2
R
2
?
Z
0k
1
?
k


?
2
?
Z
03
?
Z
i
3
R
3
?
Z
0
1
?
k
2
k
3
现在确定隔 离电阻
R
的作用及其值大小。倘若没有电阻
R
，那么，当信号
由①< br>-
②支臂的端口②输入时，
一部分功率将进入主臂①，
另一部分功率将经过①
-
③支臂而到达端口③；反之，当信号由①
-
③支臂的端口③输入时， 除一部
分功率将进入主臂①外，还有一部分功率将到达端口②，即②、③两端口之间
相互影响。 为了消除这种现象，加了隔离电阻
R
。当信号由主臂①输入时，由
于
R
两端电位相等，无电流通过，不影响功率分配
(
相当于
R
不存在一样
)
。若
信号由端口②输入，一部分能量经
R
到端口③，另一部分，除经①
-
②支臂输
入主臂①外，
还有一部分经①
-
③支臂到达端口 ③，
但这一部分与经
R
到达端口
③的信号，由于路程差而使它们的相位差?
，从而使它们互相抵消，③端口输
出的能量极少；同理，当信号从端口③输入时，端口② 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
3-5
的示意图。图中和公式中< br>的电压和电流是指其复振幅。设在端口②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①、
②、
③端口处的电压分别为
U
1
,
U
2
和
'
'
U
3
，电流分 别为
I
1
、
I
2
、
I
3
，
I
2
、
I
20
，
I
R
，
I3
和
I
30
。因为①
-
②和①
-
③支 臂的长
度
L
均为
?
4
,
所以，根据传输线理论可知

对于①
-
②支臂有

'
'
(3-18)
U
2
?
U
1
cos
?
l< br>?
jI
2
Z
02
sin
?
l
?jI
2
Z
02

U
U
'
I
2
(3-19)
?
I
2
cos
?
l
?
j< br>1
sin
?
l
?
j
1
Z
02
Z
02
对于①
-
③支臂有

(3-20)
U
?
U
cos
?
l
?
jI
Z
sin
?
l
?
jI
Z
1
33
03
3
03

I
3?
I
3
cos
?
l
?
j
'
U
3
U
sin
?
l
?
j
3
Z
03
Z
03
(3-21)
另外，根据电路理论可知，在主臂和两个支臂的交接点处有

U
'
I
2
?
I
1
?
I
3
?
1
?
I
3
Z
0
'
'

(3-22)
在隔离电阻
R
与端口③的交接点处有


U
3
?
I
R
(3-23)
R
3
I
3
?
I
30
?
I
R
?
式中

U
2
?
U
3
I
R
?
(3-24)
R
将式
(3-22)
代入式
(3-23)
，得


U
U
1
U
(3-25)
?
j
2
?
j
3
?
0
Z
0
Z
02
Z
03

再将式< br>(3-21)
和式
(3-25)
代入式
(3-24)
，得

(3-26)

U
1
U
2
?
U
3
U
2
j
?
?
?
0
Z
R
R

03
3

或

U
1
U
2?
R
?
R
3
?
?
?
U
3?
0
Z
03
R
R
3
(3-27)
j
当②、
③端口隔离，
即端口③无能量输出< br>(
实际上即
U
3
?
0
)
时，
则由式
(3-26)
和式
(3-27)
可得

Z
Z
U
1
(3-28)
?
?
j
0
?
?
j
03U
2
Z
02
R

再根据式
(3-27)
，
(3-28)
和式
(3-29)
，得

Z
02
Z
03
1
?
k
2
R
?
?
Z
0
Z
0
k

(3-29)
在实际的微带电路中，隔离电阻是由蒸发在介质基片上的镍铬合金薄膜或
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。