S8实验八微带功分器设计
性能优良的低成本毫米波八等分功分器
性能优良的低成本毫米波八等分功分器张雄建龙正隆黄家栋（深圳华达微波科技有限公司卫星通信射频传输技术工程实验室深圳 518067）摘要：基于wilkinson功分器原理，研制了一种采用微带软基板和薄膜电阻来实现工作在25GHz-31GHz频率的毫米波八等分功分器，测试结果表明输入输出驻波系数和各端口的隔离良好，该功分器成功地应用于毫米波宽带八通道发射模块的研制。
关键词:功分器，wilkinsonDesign &Development of a Millimeter 8 Port Power Splitter With Good Performance And Low CostZhang xiongjian , Long zhenglong, Huang jiadongAbstract: On the basi s of Wilkinson power splitter, a millimeter broad band splitter working in 25~31GHz has been designed and developed by using microwave soft substrate and thin film resister. The experimental result show input and output VSWR and isolation of the splitter are satisfactory. Therefore , it was used in millimeter TR module with eight channels successfully.Key words: splitter, Wilkinson splitter1 引言在微波系统中，功率分配器有着重要和广泛的应用，在相控阵天线中，微带功分器尺寸小，重量轻，在低功率使用中占主导地位。
[原创]实验八8分频器的设计与实现
![[原创]实验八8分频器的设计与实现](https://img.taocdn.com/s3/m/fa34d017df80d4d8d15abe23482fb4daa58d1d28.png)
实验八8分频器的设计与实现一．实验目的1．使用ISE软件设计并仿真；2．学会程序下载。
二．实验内容使用ISE软件进行8分频器的设计与实现。
三．实验步骤1. 编写文本文件并编译2. 软件仿真3. 进行硬件配置四．实验原理1. ISE软件是一个支持数字系统设计的开发平台。
2. 用ISE软件进行设计开发时基于相应器件型号的。
注意：软件设计时选择的器件型号是与实际下载板上的器件型号相同。
3. 8分频器的真值表如图8-1所示，其最高位q2的输出就是对输入信号的8分频。
本实验中用Verilog语句来描述。
图8-1 8分频器真值表（1）新建工程双击桌面上“ISE Design Suite 14.7”图标，启动ISE软件(也可从开始菜单启动)。
每次打开ISE都会默认恢复到最近使用过的工程界面。
当第一次使用时，由于还没有历史工程记录，所以工程管理区显示空白。
选择File New--Project 选项，在弹出的对话框中输入工程名称并指定工程路径。
点击Next按钮进入下一页，选择所使用的芯片及综合、仿真工具。
计算机上安装的所有用于仿真和综合的第三方EDA工具都可以在下拉菜单中找到。
在图中我们选用了Spartan6 XC6SLX16芯片，采用CSG324封装，这是NEXYS3开发板所用的芯片。
另外，我们选择Verilog作为默认的硬件描述语言。
再点击Next按钮进入下一页，这里显示了新建工程的信息，确认无误后，点击Finish就可以建立一个完整的工程了。
（2）设计输入和代码仿真在工程管理区任意位置单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择New Source命令，选择Verilog Module输入，并输入Verilog文件名。
单击Next按钮进入端口定义对话框。
其中Module Name栏用于输入模块名，这里是count3a，下面的列表框用于端口的定义。
Port Name表示端口名称，Direction表示端口方向(可选择为input、output或inout)，MSB表示信号最高位，LSB表示信号最低位，对于单信号的MSB和LSB不用填写。
S8实验八微带功分器设计
实验报告要求
1. 给出微带功分器电路中各段线的特性阻 抗值详细计算步骤。 2. 给出用MWO绘制的微带功分器版图，保 存仿真工程文件。 3. 记录MWO仿真得到的输入端口反射系数 |S11|、插入衰减|S12|、隔离度|S23|情况 图，并导出仿真数据，利用Origin软件重新 绘制各仿真结果图。 4. 讨论影响功分器工作带宽的因素。
参数计算
根据要求，为了实现匹配，微带不等功率 分配器的各段线的特性阻抗应满足如下关 系： Z = Z k (1 + k 2 )= 158.11Ω
C1 C
Z C k (1 + k 2 ) = ZC 2 = 39.53Ω 2 k = Z C 3 Z C= k 70.71Ω ZC Z = = 35.355Ω C4 k 1+ k 2 = R ZC = 125Ω k
不等功率分配器
它是不对称网络，要求输出两路中电压沿 传输方向的分布相同，故可用称为变异奇 偶模激励的分析方法进行分析。
设计举例：MWO设计微带功分器
要求：已知微带二路功分器各路引出线的 特性阻抗为ZC=50W，比例系数k=2，基片 材料相对介电常数为9.0，中心工作频率为 5GHz，导体带材料为铜。 结果：用MWO仿真输入端口反射系数|S11|、 插入衰减|S12|、隔离度|S23|。
二等分功率分配器
二等分功率分配器是一个无耗、可逆三端 口接头，各个端口不能同时达到匹配或功 率分配口之间的隔离。但通过加入电阻性 元件，进行适当设计，可以获得同时满足 匹配和隔离的要求。
信号从端口3输入 ，分别从端口1和2输出，彼此 之间没有耦合。隔离电阻R，实现输出端口之间 的隔离。由于结构对称，当信号从端口3输入时， 在两段传输线的对应点上，电压是等幅同相的， R上没有电流，相当于R不起作用；而当信号从端 口1输入时，它将分两路到达端口2，只要R的数 值及位置选择合适，可使此两路信号互相抵消， 从而使得1、2两端口隔离。 可以用奇、偶模分 析法对此二等分功率 分配器的特性进行分 析
功分器设计
摘要摘要功率分配器简称功分器，在被用于功率分配时，一路输入信号被分成两路或多路较小的功率信号。
功率合成器与功率分配器属于互易结构，利用功率分配器与功率合成器可以进行功率合成。
功分器在相控阵雷达，大功率器件等微波射频电路中有着广泛的应用。
现在射频和微波系统的设计越来越复杂，对电路的指标要求也越来越高，电路的功能也越来越多，电路的尺寸越来越小，而设计周期越来越短，传统的设计方案已经不能满足微波电路设计的需求，使用微波软件工具进行微波系统的设计已经成为微波电路设计的必然趋势。
小型低功耗器件是射频电路设计的研究热点，而微带技术具有小型化低功耗的优点，为此我学习了功分器的基本原理，结合当下的实际情况，设计了一个Wilkinson 功分器，并使用基于矩量法的ADS 软件设计、仿真和优化计算相关数据参数，进行参数的优化，并制作了一个性能良好的Wilkinson功分器。
关键词：功分器，ADS，优化参数IABSTRACTABSTRACTPower divider is referred to as power divider, in which the input signal is divided into two (or more) smaller power signals when the power distribution is used.Power synthesizer,and a power divider is reciprocity structure, power synthesis can be carried out using the power splitter and combiner.Power divider is widely used in phased array radar,high power devices and other microwave circuits.Now the design of RF and microwave system is more and more complex, the circuit requirements are also getting higher and higher,more and more functions of the circuit，the circuit size is getting smaller and smaller and design cycle becoming shorter and shorter, the traditional design scheme has been unable to meet the demand of microwave circuit design，using microwave software tools for the design of microwave system has become the inevitable trend of the microwave circuit design.small size and low power consumption devices is the focus of the research on the RF circuit design，and microstrip technology has the advantages of miniaturization and low power consumption. Therefore,I learned the basic principle of power divider, combined with the current actual situation,the design of the a Wilkinson power divider, and use based on method of moments of the ADS software to design,simulation and optimization calculation parameters,parameter optimization, and produced a good performance of Wilkinson power divider.Key words: power divider,ADS,optimization parametersII目录目录第1章引言 (1)1.1 功分器的发展概况 (1)第2章研究理论基础 (2)2.1 功分器的理论基础 (2)2.2 功分器技术基础 (4)2.2.1 什么是功分器 (4)2.2.2 功分器的重要性 (4)2.2.3 Wilkinson功分器的优点 (4)2.3 wilkinson基本工作原理： (5)2.4 Wilkinson功率功分器的基本指标 (6)2.4.1.输入端口的回波损耗 (6)2.4.2插入损耗 (7)2.4.3输入端口间的隔离度 (7)2.4.4功分比 (7)2.4.5相位平衡度 (7)第3章ADS的介绍 (8)3.1 ADS趋势 (8)3.2线性分析 (9)3.3电磁反正分析 (10)3.4仿真向导 (10)第4章功分器的原理图设计仿真与优化 (12)4.1 等分威尔金森功分器的设计指标 (12)4.2 建立工程与设计原理图 (12)4.2.1 建立工程 (12)4.2.2 设计原理图： (13)4.2.3 基板参数设置 (16)4.2.4 基板参数输入 (18)4.2.5 插入V AR (19)I I I目录4.2.6 V AR参数设置 (19)4.2.7 V AR微带线 (19)4.3 功分器原理图优化仿真 (21)4.4 功分器优化版图生成 (24)4.5 功分器优化 (24)4.6 功分器的版图生成与仿真 (31)第5章结论 (36)参考文献 (37)致谢 (38)外文资料原文 (39)译文 (41)I V第1章引言第1章引言1.1 功分器的发展概况功率分配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的微波网络，广泛应用于雷达，多路中继通信机等大功率器件等微波射频电路中。
功分器的设计与调试实验
4.6 微带线计算工具
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微带线计算工具(续)
单击Synthesize按钮，在LineCalc计算窗口中显示计算结果如下
W=0.48mm，微带线宽度 L=24.33mm，微带线长度
LineCalc计算窗口如图
同理，计算特性阻抗为 50Ω的微带线宽度，参 数设置为
Z0=50Ohm 其余与前面一样
下图是一个等功率分配器，它由两段不同特 性阻抗的微带线组成，两臂是对称的。我们以这 种结构的功分器为例，介绍一下设计的过程。
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功分器的设计（续）
设计指标： 工作频率1.6GHz~2.0GHz 工作频率内S11小于-20dB 工作频率内S21大于-3.1dB 工作频率内S22和S23小于-10dB 微带线基板的厚度为0.5mm 微带线基板的相对介电常数为4.2 各个端口传输线的特性阻抗采用50Ω
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4.2 创建新的工程文件
点击File->New Project设置工程文件名称（本 例中为divider）及存储路径
点击Length Unit设置长度单位为millimet
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创建新的工程文件（续）
工程文件创建完毕后主窗口变为下图
8
创建新的工程文件（续）
同时原理图设计窗口打开
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4.3 功分器的设计
设置界面及设置完成的SP控件如图
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4.9 优化目标的设置
在原理图设计窗口中选择优 化工具栏
选择优化设置控件 放置 在原理图中，双击该控件设 置优化方法及优化次数。
选择随机Random优化方法 （随机法通常用于大范围搜 索，梯度法则用于局部收敛）
优化次数选择50次 其余选项保持默认状态
观察仿真曲线（续）29 Nhomakorabea（五） 实验要求
微带wilkinson功分器的仿真设计实验报告
微带wilkinson功分器的仿真设计实验报告学院电子科学与工程学院姓名学号指导教师2016年10月21日一、实验目的● 了解功率分配器电路的原理及设计方法。
● 学习使用ADS 软件进行微波电路的设计，优化，仿真。
● 掌握功率分配器的制作及调试方法。
二、设计要求指标● 通带范围0.9 — 1.1GHz 。
● 双端输出，功分比为1:1。
● 通带内个端口反射系数小于-20dB 。
● 两个输出端口的隔离度小于-20dB 。
● 传输损耗小于3.1dB 。
三、设计思路图一：设计思路示意图四、理论分析设计1. 基本工作原理分析理论学习尺寸计算绘制ADS 原理图原理图仿真优化设计版图仿真功率分配器是三端口电路结构，其信号输入端的输入功率为P1，而其它两个输出端的输出功率分别为P2和P3。
理论上，由能量守恒定律可知：P1=P2+P3。
端口特性为：(1) 端口1无反射(2) 端口2和端口3输出电压相等且相同(3) 端口2、端口3输出功率比值为任意指定值1/由这些条件可以确定Z o2、Z o3以及R2、R3的值。
2.功分器技术指标计算(1)输入端口回波损耗输入端口1的回波损耗根据输入端口1的反射功率和输入功率之比来计算(2)插入损耗输入端口1的回波损耗根据输出端口的输出功率和输入端口1的输入功率之比来计算(3)输出端口间的隔离度输出端口2和输出端口3间的隔离度可以根据输出端口2和输出端口3的输出功率比来计算(4)功分比当其它端口没有反射时，功分比根据输出端口3和输出端口4的输出功率比来计算(5)相位平滑度在做功率分配器时，输出端口的平滑度直接影响功率合成效率。
五、尺寸计算使用ADS软件自带的计算工具计算出微带线的尺寸。
图5.1 50Ω的微带线宽度计算图5.2 75Ω的微带线宽度计算输入Z0=50Ohm,可以算出微带线的宽度为1.52mm。
填入ZO=70.7Ohm和E_Eff=90deg，可以算出微带线的线宽为0.79mm和长度42.9mm。
8路宽带扩展同轴功分器
摘 要 ：利 用同轴传输主模 ＴＥＭ 的轴 向对称性特 点 ，根据扩展 同轴功 分器的设计原理 ，设计并研制 了一款 ８路 宽带同轴扩展功 分器。利 用高频 电磁场仿真软件 ＨＦＳＳ对 电路进行 了优 化仿真 ，加 工制备 了功率合成 系统 电路 实物 ，并对 其进行 了测试。仿真结果显示 ，在 ６－１８ ＧＨｚ的频 带范围内 ，这种扩 展 同轴功 分器的插 入损 耗 小于 ０．６５ ｄＢ，反射损耗 小 于一９ ｄＢ。验 证 了扩展 同轴结构 具有极 宽的带 宽、 低差损 、输 出端 口幅相一致性 高的特点 ，在功率合成领域拥有广 阔的应 用前景。 关键词 ：功 分器；扩展 同轴 ；宽带 中图分类号 ：ＴＮ７３ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１６８１—１０７０ （２０１６）０５—００３５—０４
第八章功分器耦合器设计
第八章功分器耦合器设计第八章内容概述：本章将介绍功分器和耦合器的设计原理和方法。
功分器是一种被广泛应用于微波和射频电路中的被动器件，用于将一个输入信号分为若干等幅的输出信号。
耦合器是一种用于耦合电路中的能量转移的器件，常用于功率放大器、混频器等电路中。
一、功分器设计1.功分器的原理：功分器是一种能将输入信号分为两个或多个等幅输出信号的器件。
常见的功分器有二分器、三分器、四分器等。
功分器的设计原理是基于电路中电压的分配和功率的守恒定律。
2.功分器的设计方法：功分器的设计方法有两种：电压比法和负载匹配法。
电压比法是通过确定每个输出端口上的电压比例来设计功分器，而负载匹配法是通过调整输出端口的负载阻抗来设计功分器。
3.功分器的实现：功分器可以通过多种方式来实现，如线型功分器、平面功分器和耦合线功分器等。
线型功分器通常由三个或多个等长的传输线组成，而平面功分器则由微带线、槽线或共面波导等结构组成。
1.耦合器的原理：耦合器是一种用于将电路中的能量从一个传输线传递到另一个传输线的器件。
耦合器可以实现能量的单向或双向传输。
常见的耦合器有耦合线耦合器、互感耦合器和反射耦合器等。
2.耦合器的设计方法：耦合器的设计方法主要有四种：频率平衡法、功率平衡法、阻抗平衡法和阶梯阻抗法。
频率平衡法是通过控制耦合线的长度和耦合间隔来实现耦合的平衡，而功率平衡法则是通过调整端口的负载阻抗来实现平衡。
3.耦合器的实现：耦合器可以通过多种方式来实现，如耦合线耦合器、微带耦合器、槽线耦合器和同轴耦合器等。
耦合线耦合器是最简单的一种耦合器，由两条等长的传输线组成，而微带耦合器则是通过把一条微带线与另一条微带线的一段连接起来来实现耦合。
三、总结：功分器和耦合器是微波和射频电路中常见的被动器件，其设计涉及到电压的分配、功率的守恒和能量的转移等原理。
功分器的设计方法有电压比法和负载匹配法，而耦合器的设计方法则主要有频率平衡法、功率平衡法、阻抗平衡法和阶梯阻抗法。
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参数计算
根据要求，为了实现匹配，微带不等功率 分配器的各段线的特性阻抗应满足如下关 系： Z = Z k (1 + k 2 )= 158.11Ω 2 ) = ZC 2 = 39.53Ω 2 k = Z C 3 Z C= k 70.71Ω ZC Z = = 35.355Ω C4 k 1+ k 2 = R ZC = 125Ω k
利用txline工具课计算得到各段微带线的参 数。在MWO中绘制出功分器的电路原理图。
仿真
功率分配器的输入端口反射系数S11情况
仿真
功率分配器的插入衰减S12情况
仿真
功率分配器的隔离度S23情况
实验内容
已知微带二路功分器各路引出线的特性阻 抗为ZC=50，比例系数k=3，试设计该功分 器的电路。要求：计算出各段线的特性阻 抗值；假如所采用的基片材料相对介电常 数为12.0，中心工作频率为3GHz，导体带 材料为铜，用MWO绘制出对应的版图；并 用MWO仿真输入端口反射系数|S11|、插 入衰减|S12|、隔离度|S23|
不等功率分配器
它是不对称网络，要求输出两路中电压沿 传输方向的分布相同，故可用称为变异奇 偶模激励的分析方法进行分析。
设计举例：MWO设计微带功分器
要求：已知微带二路功分器各路引出线的 特性阻抗为ZC=50W，比例系数k=2，基片 材料相对介电常数为9.0，中心工作频率为 5GHz，导体带材料为铜。 结果：用MWO仿真输入端口反射系数|S11|、 插入衰减|S12|、隔离度|S23|。
这种二等分功率分配器有两个特点： (1) 这种功率分配器具有较宽的频带特性， 若要进一步加宽工作频带，可以采用多节 四分之一波长阻抗变换器和相应数目的隔 离电阻。 (2)当作为功率合成器应用时，在1、2端口 必须输入等幅同相信号，方能在端口3得到 功率的完全相加，否则将有功率被隔离电 阻消耗掉。
二等分功率分配器
二等分功率分配器是一个无耗、可逆三端 口接头，各个端口不能同时达到匹配或功 率分配口之间的隔离。但通过加入电阻性 元件，进行适当设计，可以获得同时满足 匹配和隔离的要求。
信号从端口3输入 ，分别从端口1和2输出，彼此 之间没有耦合。隔离电阻R，实现输出端口之间 的隔离。由于结构对称，当信号从端口3输入时， 在两段传输线的对应点上，电压是等幅同相的， R上没有电流，相当于R不起作用；而当信号从端 口1输入时，它将分两路到达端口2，只要R的数 值及位置选择合适，可使此两路信号互相抵消， 从而使得1、2两端口隔离。 可以用奇、偶模分 析法对此二等分功率 分配器的特性进行分 析
/dv/dvs.htm
实验报告要求
1. 给出微带功分器电路中各段线的特性阻 抗值详细计算步骤。 2. 给出用MWO绘制的微带功分器版图，保 存仿真工程文件。 3. 记录MWO仿真得到的输入端口反射系数 |S11|、插入衰减|S12|、隔离度|S23|情况 图，并导出仿真数据，利用Origin软件重新 绘制各仿真结果图。 4. 讨论影响功分器工作带宽的因素。
福建省精品课程
微带功分器设计
Microwave and Photon Technology Dec 2008
概述
功分器是功率分配器的简称，它是把某一 路的微波输入功率，按规定比例分成两路 或多路输出的微波器件。 功分器的主要技术要求为： (1)输出功率的分配比例； (2)输出端口之间要相互隔离； (3)各输入输出端口必须匹配。