功分器设计--基本理论
功分器的设计
功分器现在有如下几种系列[11]：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-2500MHz 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-2500MHz 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 频率段二、三、四腔体系列功分器，应用于PHS/WLAN 室内覆盖工程。
5、800MHz-1200MHz/1600MHz-2000MHz 频率段小体积设备内使用的微带二、三功分器。
这里介绍几种常见的功分器：一、威尔金森功分器 我们将两分支线长度由原来的4λ变为43λ，这样使分支线长度变长，但作用效果与4λ线相同。
在两分支线之间留出电阻尺寸大小的缝隙，做成如图1-1所示结构。
图1-1 威尔金森功分器二、变形威尔金森功分器将威尔金森功分器进行变形，做成如图1-2所示结构。
两圆弧长度由原来的4λ变为43λ，且将圆伸展开形成一个近似的半圆。
每个支路通过2λ传输线与隔离电阻相连，这样做虽然会减小电路的工作带宽，但使输出耦合问题得到了解决，而且可以用于不对称，功分比高的电路，隔离电阻的放置更加容易，且两支路间的距离足够大，在输出口可直接接芯片。
图1-2 变形威尔金森功分器三、混合环混合环又称为环形桥路，它也可作为一种功率分配器使用。
早期的混合环是由矩形波导及其4个E-T 分支构成的，由于体积庞大已被微带或带状线环形桥路所取代。
图1-3为制作在介质基片上的微带混合环的几何图形，环的平均周长为 23g λ，环上有四个输出端口，四个端口的中心间距均为4g λ。
环路各段归一化特性导纳分别为a, b, c ，四个分支特性导纳均为0Y 。
这种形式的功率分配器具有较宽的带宽，低的驻波比和高的输出功率。
功分器的设计制作与调试
功分器的设计制作与调试一、设计制作功分器的原理功分器，也称为功率分配器，是一种用来分配输入功率到多个输出端口的无源器件。
在无源器件中，当我们需要将输入功率按照一定比例分配到多个输出端口时，功分器就可以起到很好的作用。
标准的功分器是一个三端口元件，包括一个输入端口和两个输出端口。
功分器的输入功率将被均匀地分配到两个输出端口上，且输出端口之间相互隔离，不会有能量交流。
设计制作功分器的步骤如下：1.确定功分器的工作频率范围：功分器的设计需要根据具体的应用需求来确定工作频率范围。
功分器的频率范围可以从几百兆赫兹到几十吉赫兹不等。
2.选择功分器的阻抗：功分器的阻抗需要与输入输出系统的阻抗相匹配，通常选用50欧姆。
3.设计功分器的结构：功分器的结构大致可以分为两种，一是二分支结构，二是平衡树状结构。
a.二分支结构是指将输入驻波器通过阻抗转换，分为两个并行的输出通路，使得输入功率均匀地分配到两个输出端口。
b.平衡树状结构则是通过铁氧体等元件来实现功分，具有更高的功分精度和更宽的工作频率范围。
4.确定工艺流程：根据功分器的结构和应用需求，确定制作工艺，如集成电路制作技术或者微带线技术等。
5.制作功分器：根据确定的工艺流程，进行制作。
制作功分器的材料通常采用高频电路工艺中的常见材料，如铝、金、铜等。
6.调试功分器：将制作好的功分器与测试仪器连接，通过测试仪器测量功分器的性能指标，如功分精度、输入输出阻抗等。
调试功分器的步骤如下：1.通过测试仪器测量功分器的插入损耗：将功分器的输入和输出端口连接到测试仪器上，通过测试仪器测量功分器的插入损耗，即输入功率与输出功率之间的损耗。
2.测量功分器的测量精度：通过测试仪器测量功分器的功分精度，即两个输出端口之间的功分误差。
3.测量功分器的输入输出阻抗：通过测试仪器测量功分器的输入输出阻抗，保证功分器的阻抗与输入输出系统的阻抗相匹配。
4.优化功分器的性能：根据测试结果，对功分器的结构和参数进行优化，以提高功分器的性能指标。
一个的威尔金森功一分四功分器精选全文
⼀个1.1~1.6GHz的威尔⾦森功⼀分四功分器设计威尔⾦森功分器设计的理论知识如下：其中k为端⼝2与端⼝3的功率分配⽐，⼀般使⽤的情况，都是2，3端⼝功率相等。
所以k⼀般都为1.在实际使⽤中，⼀般端⼝都是取50欧姆。
所以为50欧姆， R2，R3也为50欧姆；⽽ , 为端⼝的分路并最终接地，所以他们为100欧姆。
则威尔⾦森功分器的关键的技术只是1/4波长传输线的阻抗变换技术。
因为已知 , 和R2,R3，所以,便可以根据公式计算出来为70.7欧姆。
然后隔离电阻R，可以计算得到为100欧姆。
另外⼀般在会在端⼝2，端⼝3引出⼀截适当长度的50欧姆微带线，⽤于焊接⽅便。
所以⼀般的功分器结构会是下图这样：设计步骤：1.选择相应的pcb，得到其厚度，介电常数，正切损耗⾓等参数。
2.使⽤ADS的line-cal软件，计算中⼼频率1.414GHz的50欧姆阻抗时，70.7欧姆阻抗时的宽度W1, 和W2 。
以及计算70.7欧姆，电⽓长度为90度（1/4波长）时对应的微带线长度。
这样使⽤这些数据便可以设计相应的⼀分⼆功分器了。
⼀分四功分器则在原来⼀分⼆的功分器基础上复制到输出端即可。
另外在布线的时候，需要注意线条的间距，不宜过近导致发⽣耦合问题。
建议每条微带线间应有2倍线宽或2倍板⼦厚度及以上的距离。
最后得到PCB图形如下：其性能在4个输出端⼝是⼀样的，所以这⾥只展⽰2端⼝如下：可以看出其每个端⼝的回损都有在-10以下，隔离度都在在-15dB以下。
传输损耗S21为6.6 。
性能说不好很好，但也能⽤。
另外其每个端⼝相位平衡度都重合，其⽤作合路器的时候，性能还算ok。
功分器设计--基本理论
并联电阻为 R = 2Z0 = 100
在频率f0传输线长为/4。采用微波电路分析中的机辅设计程序，可算出S参量幅度， 并且绘在图5-40上。
图5-40 等分微带功分器的频响
微带功分器（Wilkinson功分器）设计 9
2．功率不等分
微带型功分器亦可做成功率不等分的，微带图形如图5-41所示，如端口3和2
பைடு நூலகம்
这两种模式。
图5-37 归一化、对称形式的Wilkinson功分器
微带功分器（Wilkinson功分器）设计 5
（1）偶模 对偶模激励，Vg2 = Vg3 = 1V，所以V2 = V3，没有电流流过r/2电阻 或端口1两根传输线入口之间连接处。因此，我们可将图5-37的网络对分，在 这些点具有开路终端，以得出图5-38（a）的电路（/4线的接地边没有示 出）。这时，从端口2看入得到的阻抗为：
而S11=0。注意：当功分器在端口1激励，且负载匹配时，电阻上没有功率损 耗。因此，当输出匹配时，功分器是无损耗的；只有从端口2和3来的反射功 率消耗在那电阻上。
图5-39 用于导出S11的微带功分器分析
微带功分器（Wilkinson功分器）设计 8
设计一个频率为f0、用于50系统阻抗的等分微带功分器，并且绘出回波损耗S11、插 入损耗（S21 = S31）和隔离度（S23 = S32）与频率（从0.5f0到1.5f0）的关系曲线。 解：由图5-36和上述的推导，功分器中的/4传输线应具有的特性阻抗为
图5-41 用微带形式的功率不等分功分器
微带功分器（Wilkinson功分器）设计 10
3. N路功分器或功率合成器 如下图5-42所示，这电路可使所有端口匹配，且使所有端口隔离。 但是，缺点是当N3时，功分器要求电阻交迭。这导致较难以用 平面形式制作。功分器亦可用多级阶梯阻抗变换形式制作，以 拓宽带宽。四节功分器的实际结构表示在图5-43上。
四.功分器和定向耦合器的设计
C10logP P1320logS31
dB[S(3,1)]
• 隔离度： 隔离端口4的输出功率P4和输入端口1的输入功率P1之比：
I10logP P1 420logS41 dB[S(4,1)]
定向耦合器的基本原理
• 8-16GHz倍频程内定向度： S41/S31<-17dB
• 8-16GHz倍频程内隔离度： S41<-20dB
定向耦合器的仿真设计
建立耦合器设计的电路原理图
耦合端口
输入端口
直通端口
隔离端口
/4;f012GHz
定向耦合器的仿真设计
建立耦合器设计的电路原理图
耦合端口
输入端口
直通端口
功分器的设计、仿真、优化
设置完成的功分器电路图
功分器的设计、仿真、优化
开始仿真 全频段内隔离度未达指标，并且平坦度较差，需优化
功分器的设计、仿真、优化
电路优化
• 对阻抗匹配电路的优化---优化变量w2，lh
功分器的设计、仿真、优化
电路优化
• 优化仿真器和优化目标的设置—由于电路对称性，S(3,1)和S(3,3)不需优化
dB[S(2,1)]
C1310logP P 3 i 20logS13
dB[S(3,1)]
功分器的基本原理
功分器的基本指标
• 输出端口间的隔离度： 根据输出端口2的输出功率P2与输出端口3的输出功率P3之比计算
• 功分比：
C2310logP P2 320logS S1 12 3
• 定向耦合器属于无源微波器件，为四端口器件，分为：
隔离
耦合
功分器的设计与仿真
功分器的设计与仿真功分器是一种被广泛应用于射频和微波通信系统中的无源分配器件。
它能够将输入功率平均分配到多个输出端口上，同时保持较高的功率分配均匀度和良好的阻抗匹配特性。
功分器的设计与仿真是确保其性能和可靠性的关键步骤。
下面将介绍功分器的设计过程以及在仿真中所需要考虑的内容。
1.功分器设计的基本原理功分器的基本原理是将输入功率平均分配到多个输出端口上。
常见的功分器结构包括两分、三分和四分结构。
其中，两分结构包含一个输入端口和两个输出端口；三分结构包含一个输入端口和三个输出端口；四分结构包含一个输入端口和四个输出端口。
功分器的设计要满足以下几个基本要求：-分配均匀度：要求各输出端口上的功率分配尽可能均衡。
-阻抗匹配：要求输入端口和各输出端口的阻抗匹配，以减小功分器对系统整体的影响。
-衰减损耗：要求功分器的损耗尽可能小，以确保输入功率能够尽量传递给输出端口。
2.功分器设计的流程-确定工作频率：确定功分器所工作的频率范围。
-选择功分器结构：根据应用需求和系统限制选择合适的功分器结构，比如决定是采用两分、三分还是四分结构。
-确定端口阻抗：根据系统要求和端口特性，确定功分器的输入端口和输出端口的特性阻抗。
-计算功分器的设计参数：通过理论计算和仿真工具，计算出功分器的长度和宽度等关键参数。
-优化和调整参数：根据仿真结果，优化和调整功分器的设计参数，以满足系统要求。
-确定材料和工艺：根据功分器的设计参数和要求，选择合适的材料和工艺。
-制备并测试样品：根据设计要求制备功分器样品，并进行实验测试，优化设计。
3.功分器的仿真内容功分器的仿真是设计过程中十分重要的一步，可以通过仿真工具来验证设计效果和参数。
在功分器的仿真中，需要考虑以下内容：-功分器的S参数：通过仿真计算和分析功分器的S参数，包括S11、S21等参数，以评估功分器的性能和阻抗匹配特性。
-功分器的功率分配均匀度：通过仿真计算和分析各输出端口上的功率分配均匀度，以评估功分器的性能。
功分器的设计(最新整理)
功分器现在有如下几种系列[11]：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-2500MHz 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-2500MHz 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 频率段二、三、四腔体系列功分器，应用于PHS/WLAN 室内覆盖工程。
5、800MHz-1200MHz/1600MHz-2000MHz 频率段小体积设备内使用的微带二、三功分器。
这里介绍几种常见的功分器：一、威尔金森功分器我们将两分支线长度由原来的变为，这样使分支线长度变长，但作4λ43λ用效果与线相同。
在两分支线之间留出电阻尺寸大小的缝隙，做成如图1-14λ所示结构。
图1-1 威尔金森功分器二、变形威尔金森功分器将威尔金森功分器进行变形，做成如图1-2所示结构。
两圆弧长度由原来的变为，且将圆伸展开形成一个近似的半圆。
每个支路通过传输线与4λ43λ2λ隔离电阻相连，这样做虽然会减小电路的工作带宽，但使输出耦合问题得到了解决，而且可以用于不对称，功分比高的电路，隔离电阻的放置更加容易，且两支路间的距离足够大，在输出口可直接接芯片。
图1-2 变形威尔金森功分器三、混合环混合环又称为环形桥路，它也可作为一种功率分配器使用。
早期的混合环是由矩形波导及其4个E-T 分支构成的，由于体积庞大已被微带或带状线环形桥路所取代。
图1-3为制作在介质基片上的微带混合环的几何图形，环的平均周长为 ，环上有四个输出端口，四个端口的中心间距均为。
环路各段归一23g λ4g λ化特性导纳分别为a, b, c ，四个分支特性导纳均为。
这种形式的功率分配器0Y 具有较宽的带宽，低的驻波比和高的输出功率。
功分器的设计原理
设计资料项目名称：微带功率分配器设计方法拟制：审核：会签：批准：二00六年一月微带功率分配器设计方法1. 功率分配器论述：1.1定义：功率分配器是一种将一路输入信号能量分成两路或多路信号能量输出的器件，也可反过来将多路信号能量合成一路输出，此时也可称为合路器。
1.2分类：1.2.1功率分配器按路数分为：2路、3路和4路及通过它们级联形成的多路功率分配器。
1.2.2功率分配器按结构分为：微带功率分配器及腔体功率分配器。
1.2.2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。
1.2.3根据电路形式可分为：微带线、带状线、同轴腔功率分配器。
1.3概述：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：（1）同轴腔功分器优点是承受功率大，插损小，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，缺点是插损大，承受功率小。
（2）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。
下面对微带线、带状线功率分配器的原理及设计方法进行分析。
2．设计原理：2.1分配原理：微带线、带状线的功分器设计原理是相同的，只是带状线的采用的是对称性空气填充或介质板填充，而微带线的主要采用的是非对称性部分介质填充和部分空气填充。
下面我们以一分二微带线功率分配的设计为例进行分析。
传输线的结构如下图所示，它是通过阻抗变换来实现的功率的分配。
图1：一分二功分器示意图在现有的通信系统中，终端负载均为50Ω，也就是说在分支处的阻抗并联后到阻抗结处应为50Ω。
如上图匹配网络，从输入端口看Ω==500Z Z in ，而Ω==50//21in in in Z Z Z ，且是等分的，所以1in Z =2in Z ，①处1in Z 、②处2in Z 的输入阻抗应为100Ω，这样由①、②处到输出终端50Ω需要通过阻抗变换来实现匹配。
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参考接地线
3端口 图5-36 Wilkinson功分器
微带功分器（Wilkinson功分器）设计
奇--偶模分析
它归结为两个简单电路之和，在输出端分 别用对称和反对称源来激励并进行分析。
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为简化起见，将所有阻抗对特性阻抗Z0归一化，凑成对称电路结构， 输出端具有的信号源如图 5-37。该网络相当于中间平面是对称的，归 一化值为 1 的电阻代表匹配源阻抗， 1 端源电阻为两个归一化值 2 的并 联组合，隔离电阻以两个 r/2 的串联组合。 /4 线具有的归一化特性阻 抗为z，并联电阻具有归一化值为 r。下面证明对等分功分器，这些值 应为z 2和r = 2。 现在对图5-37的电路定义两个 独立的激励模式：偶模Vg2 = Vg3 = 1V，奇偶Vg2 = –Vg3 = 1V。然后，将这两种模式相叠 加，其有效激励为Vg2 = 2V， Vg3 = 0，由此，可获得此网络 的S参数。下面我们分别讨论 这两种模式激励的情况。
微带功分器（Wilkinson功分器）设计
14
（2）奇模 奇模激励时，Vg2 = –Vg3 = 1V，所以V2 = –V3， 在图5-37电路的中间有电压零点。因此，我们可以用一个接 地平面来切开此电路，给出图5-38（b）的网络。向端口2看 去的阻抗为r/2，若r/2=1,则匹配S22=0。由于平行连接传输线 长为/4，而且在端口1处短路，所以看上去在端口2为开路点， 没有功率送到端口1，S12=0。由对称性有S33=0，S13=0。
1
功分器设计
2
波导功分器，即T形分支(E-T、H-T) 微带功分器，即Wilkinson功分器
3
波导T形分支（E-T、H-T）
4
5
6
7
3个元素
[s]H表示 共轭转置
8
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10
微带功分器
微带功分器（Wilkinson功分器）设计
1、等功分情况
11
微带功分器可以进行任意比例的功率分配，下面考虑等功分 （3dB）情况，结构及等效电路见下图。 2端口 1端口
图5-39 用于导出S11的微带功分器分析
注意：当功分器在端口1激励，且负载匹配时，电阻上没有功率损耗。因此，当 输出匹配时，功分器是无损耗的；只有从端口2和3来的反射功率消耗在那电阻上。
微带功分器（Wilkinson功分器）设计
解：由图5-36和上述的推导，功分器中的/4传输线应具有的特性阻抗为
微带功分器（Wilkinson功分器）设计
(3) 奇偶模相加 这样，总结一下，我们已导出下列S参量：
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S22 = S33 = 0（因对两种模式激励时，端口2和3都是匹配的）；
S12 = S21 = –j0.707（因互易网络的对称性）；
S13 = S31 = –j0.707（因互易网络的对称性）；
图5-37 归一化、对称形式的Wilkinson功分器
微带功分器（Wilkinson功分器）设计
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（1）偶模 对偶模激励，Vg2 = Vg3 = 1V，所以V2 = V3，没有电流流过r/2电阻 或端口1两根传输线入口之间连接处。因此，我们可将图5-37的网络对分，在 这些点具有开路终端，以得出图 5-38 （ a ）的电路（ /4 线的接地边没有示 出）。这时，从端口2看入得到的阻抗为： Z0 = Z2 / 2 因而，从传输线看上去，如同一个/4变换器。因此，如果 z 2 ，端口2是 匹配的，全部功率将传到接在端口 1的负载，S22=0 。为了求S参量S12 ，需要 电压V1，它可由传输线方程求得。如让端口2处x = 0，端口1处x = /4，从端 口2指向端口1为正方向，则线上电压可写为
Z 03 Z 0 1 K 2 / K 3
R2 Z0 K
R3 Z0 / K
如K = 1，则上述结果归结为等分情况。另外还见到，输出线被匹配到阻抗R2 = Z0K和R3 = Z0/K，而不是阻抗Z0，可用阻抗变换器来变换这些输出阻抗。
图5-41 用微带形式的功率不等分功分器
微带功分器（Wilkinson功分器）设计
S23 = S32 = 0（因对称等分面上为开路或短路）。 结果意味着：端口2和端口3是匹配的、功分特性、端口2和3之间 是隔离的。
微带功分器（Wilkinson功分器）设计
16
(4) 最后求S11 最后，我们还必须求出S11，用来确定当端口2和3为匹配负载时，微带功分器 在端口 1 的输入阻抗。电路图如图5-39所示，从图上可见它与偶模激励 V2 = V3时情况类似。因此，没有电流流过归一化值为 2的电阻，它可以取走，剩 下的电路如图5-39（b）所示。现在，有两个/4波长变换器的并联连接，终 端接在归一化负载上。故输入阻抗为 而S11=0，这样加上前面的奇偶模，就求出了全部的S参数。
V ( x) V (e
jx
V1 V / 4 jV 1 jV2 1 /1
e
j180
e jx )
V2 V (0) V (1 )
在端口1处看向归一化值为2的电阻上的反射系数为 2 2 1 和 V1 由对称性，我们亦有 S33 = 0和S13 = –j0.707
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设计一个频率为f0、用于50系统阻抗的等分微带功分器，并且绘出回波损耗S11、插 入损耗（S21 = S31）和隔离度（S23 = S32）与频率（从0.5f0到1.5f0）的关系曲线。
Z 2Z 0 70.7
并联电阻为 R = 2Z0 = 100 在频率f0传输线长为/4。采用微波电路分析中的机辅设计程序，可算出S参量幅度， 并且绘在图5-40上。
图5-40 等分微带功分器的频响
微带功分器（Wilkinson功分器）设计
2．功率不等分
18
微带型功分器亦可做成功率不等分的，如端口 3 和 2 之间的功率比为 K2 ，即
P3/P2= K2 ，则可应用下列设计方程：
Z 02 K 2 Z 03 Z 0 K 1 K 2
R Z0 K 1/ K
3. N路功分器和多节阶梯变换
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如下图5-42所示，这电路可使所有端口匹配，且使所有端口隔离。 但是，缺点是当N3时，功分器要求电阻空间交迭。这导致较难 以用平面形式制作。功分器亦可用多级阶梯阻抗变换形式制作， 以拓宽带宽。四节功分器的实际结构表示在图5-43上。
图5-42 N路等分微带功分器
图5-43 用微带形式实现 的四节微带功分器