实验三射频微波功率分配器合成器设计
微波工程威尔金森功率分配器
仿真结果
输入端口、输出端口的回波损耗在 三个频带内都优于13dB。
04
结论
慢波结构通过减小相位速度从而减小了 增加了电尺寸从而减小了电路尺寸；基 于QWOS的滤波器获得了三个工作频带。 通过使三个滤波器根据所需频率放置在 经过精确计算的50欧姆传输线上的不同 位置，来准确获得了三个通频带，同时 具有低插入损耗。与其他现有研究相比 较，除了有轻微的电路面积增加以外， 具有了40%、10.5%、17.9%的更宽的 相对带宽。
• 一个宽频带的和一个新型的基于QW OS的三频带带通滤波器
威尔金森功率分配器
由威尔金森1提出的匹配的对称双功率分 频器，是用于相同的幅值/相位功率划分 的拓扑结构之一。威尔金森提出了匹配的 双向功率分配器的基本配置，即 三个特性阻抗需满足关系1：1.414：2:1 ，同时在两个输出端口之间引入一个电阻， 从而增强了它们之间的隔离。由于威尔金 森的分频器利用一个四分之一波长的变压 器来将分割线与输入端口相匹配，变压器 的尺寸——特别是低频应用—— 的尺寸是无法接受的。使用传统的方法将 这种分频器的操作扩展到双/三波段，单/ 双阻抗变压器需要。因此，双/三带的功率 分器占据了更多的空间，增加了电路/芯片 的面积，特别是在使用低介电常数基板的
设计结果
经计算以及调试后的电路尺寸如图 所示，该设计达到了良好的性能， 获得了宽频带和低回波损耗的性能。
如左图所示，可以看出，在1.5、1.9、 2.35GHZ的三个中心频率上均有宽频 带，低损耗，插入损耗分别为0.009、 0.25、0.38db。
03
仿真结果
如图所示： 在1.5/1.9。2.35GHZ的三个频点上分别都 能实现接受到的功率为一端口输入功率的一 半，即S21=3db，且每个工作频率都有较 大带宽。在两个输出端口之间有大于15dB 的隔离度。
射频实验 功率分接器实验
威尔金森型功率分配器
三、实验原理
功率分配器是三端口网络结构，如图 4-1 所示。其信号输入端（Port-1）的功率为 P1，而 其他两个输出端（Port-2 及 Port-3）的功率分别为 P2 及 P3。理论上，由能量守恒定律可知 P1=P2+P3。 若 P2=P3 并以毫瓦分贝（dBm）来表示三端功率间的关系，则可写成： P2(dBm) = P3(dBm) = Pin(dBm) – 3dB
五、实验结果
（电阻式功率分接器在 300-500MHz 时 S11 的曲线图）
(电阻式功率分接器在 300-500MHz 时 S21 的曲线图)
(威尔金森型功率分配器在 300-500MHz 时 S11 的曲线图)
(威尔金森型功率分配器在 300-500MHz 时 S21 的曲线图)
六、实验结果分析
实验报告（四）
姓名： 实验项目名称： 学号： 射频实验 功率分接器实验 日期：
一、实验目的
1、了解功率分配器的原理。 2、通过对 MOD-4A 的输出端的功率的测量，了解简单的功率分配电路的特性。
二、实验仪器
1、模组编号：RF2KM4-1A（RESISTIVE POWER SPLITTER） 2、模组内容： 代号 MOD-4A 名称/说明 适用频率范围 750MHz 主要特性 Return Loss -15dB Insertion Loss: =-6 1dB
端子 2 P2 端子 1 P1
功率分配器
端子 3 P3Biblioteka 图 4-1:[功率分配器 ] 方 块 图
四、实验设计与实验过程
1. 测量 MOD-4A（RF2KM4-1A）的 S11 及 S21,以了解简易的功分电路的特性； 测量 MOD-4B(RF2KM4-2A)的 S11 及 S21 测量以了解标准的功分电路的特性。 2. 准备电脑，测量软件，RF2000,及若干小器件。 3. 测量步骤: ⑴ MOD-4A 的 P1 端子的 S11 测量：设定频段：BAND-3；将 LOAD-1 及 LOAD-2 分别接在模组 P2 及 P3 端子；对模组 P1 端子做 S11 测量 ⑵MOD-4A 的 P1 及 P2 端子的 S21 测量：设定频段：BAND-3；将 LAOD-1 接在 P3 端子上；对模组 P1 及 P2 端子做 S21 测量， ⑶ MOD-4A 的 P1 及 P3 端子的 S21 测量：设定频段：BAND-3；将 LOAD-1 接在模组 P2 端子上；对 模组 P1 及 P3 端子做 S21 测量， ⑷ MOD-4B 的 P1 端子的 S11 测量：设定频段：BAND-3；将 LOAD-1 及 LOAD-2 分别接在模组 P2 及 P3 端子上。对模组 P1 端子做 S11 测量 ⑸ MOD-4B 的 P1 及 P2 端子的 S21 测量：设定频段：BAND-3；将 LOAD-1 接在 P3 端子上；对模组 P1 及 P2 端子做 S21 测量 ⑹MOD-4B 的 P1 及 P3 端子的 S21 测量：设定频段：BAND-3；将 LOAD-1 接在模组 P2 端 子上；对模组 P1 及 P3 端子做 S21 测量
利用分配器-合成器分离或合成射频-微波信号
利用分配器/合成器分离或合成射频/微波信号在系统内对信号进行分离或合成通常是在射频和微波频率下由功作为率分配器/合成器完成。
理想的功率分配器也是理想的功率合成器，但不总是如此。
元件不都是为反向工作而设计的。
此外，所有功率分配器和合成器都存在某些插入损耗，会不可避免地影响到功率处理能力。
不过，分配/合成器尽管存在缺点，但仍然在高级系统中扮演关键角色，所以仍属于最重要的无源射频 /微波元件。
本文首先回顾选择功率分配器或合成器时需要考虑的一些关键性能参数，随后，对主要供应商的几个例子进行探究。
要从这些元件选择出一种，最简单方法不是详细列出实现功率分配器或合成器时的各种不同设计方法，而大概是综合考虑所需要的功能(是信号分配还是合成）、工作带宽、期望功率水平，以及信号必须分配的路数或者要合成的信号数。
例如，二元功率分配器由一个输入提供两个幅度基本相同的输出信号。
通过将多个两路分配器串接，可以得到高阶(4路、8路、等等）功率分配器。
类似地，可以将多个3路功率分配器组合，得到奇数路输出的功率分配器。
特定功率分配器用作功率合成器的效果如何，通常与设计方法及内部元件(如电阻）有关。
Meca电子公司在其网页上免费提供有应用笔记(“应用笔记MAP- 801”），题目为“为什么大多数功率分配器不适合作功率合成器”，该应用笔记解释了所选择的功率分配器同时要用作功率合成器时要考虑的问题。
出于教育的目的，Micro-lab/FXR也提供了一篇出色的有关功率分配器和合成器的应用笔记，回顾了下列元件的基本差异，如电阻、电抗、 Wilkinson、正交、分支线、节点以及T型功率分配/合成器。
该应用笔记可免费从Microlab/FXR的网页处获取。
该公司的新型DX-N系列非平衡分配器是为提供宽达30:1或者接近2:1的功率分配比而设计的。
这种分配器非常适合800~2,500MHz室内无线通信应用，这种非平衡分配器可以处理300W平均功率和1kW的峰值功率。
射频电源功率合成
射频电源功率合成
功率合成器的设计需要考虑以下几个关键要素：
1.功率放大器：功率放大器负责将输入的低功率信号放大到
所需的输出功率水平。
常见的功率放大器包括晶体管放大器、
管子放大器等，选择适合的功率放大器需要考虑输出功率要求、频率范围、线性度以及功率效率等因素。
2.功率分配器：功率分配器的作用是将输入的射频信号平均
分配给多个功率放大器，保证每个功率放大器工作在相同的输
入功率水平。
常见的功率分配器有功分器（PowerSplitter）
和功率耦合器（PowerCoupler）。
功分器将输入功率均匀分
配到多个输出端口，而功率耦合器则将功率传输到一个主要输
出端口并耦合到其他输出端口。
3.反射损耗：功率合成器在设计中需要考虑信号的反射损耗。
反射损耗会导致功率在功率合成器内部被反射回功放器，降低
合成输出功率，并可能损坏功率放大器。
为了减少反射损耗，
常见的做法是采用匹配网络或反射损耗补偿技术来提高整个系
统的匹配性能。
4.相位平衡：在功率合成器中，不仅需要考虑功率的合成，
还需要注意信号的相位平衡。
相位平衡是指合成过程中各个信
号之间的相位关系保持一致，避免信号之间的干扰和相位差引
起的功率损失。
为了实现相位平衡，可以采用相位校正器或相
位补偿器来调整各个分支的信号相位。
实验三-射频微波功率分配器合成器设计
(2). 画原理图，选择微带线控件 区中，并用线连接。
Ctrl+R 旋转 F5 移动文字
分别放置在绘图
（3）利用微带线计算工具计算微带线尺寸参数
• 在原理图窗口执行【tools】-【lineCalc】-【Start LineCalc】
• 修改参数，然后单击 按钮就可以算出微带线的线宽1.52 mm
• 在版图窗口执行菜单命令【Momentum】->【Simulation】->【SParameters】，打开仿真控制对话框。设置起止频率与原理图相同，参数 设置完成后，单击“Update”按钮。然后单击“Simulate”按钮，开始仿真。
版图仿真结果
输出版图：
作业：
设计一微带结构的威尔金森功分器，指标要求：
4. 拔下双阴，将两根电缆带衰减器的一端，分别接到功分器的主路与某一 支路上，另一支路接上匹配负载。记下各频点的插损与相位（20个频点） 。
5. 交换两支路的连接，记下另一路各频点的插损与相位（20个频点） 。
4. 接上功分器的主路输入插座，其他各支路端接匹配负载。此时屏 幕上已出现输入阻抗轨迹，可按↓键换档。看看该器件的水平如何（ 点子越集中越靠近原点越好）。
5. 按菜单键，选驻波返回。记下驻波数据（20个频点）。
3.2 各支路的幅相特性测量
1. 设置使A下为《插损》,B下空白。
2. 按测插损连接，在仪器输入与 输出口上各接一根短电缆。两电缆 末端各接一只10dB衰减器，再用 一个双阴连接起来。 3. 按执行键校直通
Hu:封装高度(1.0e+33 mm)， T:金属层厚度(0.035 mm)
TanD:损耗角正切(1e-4)， Roungh:表面粗糙度(0 mm)
《功率分配器合成器》课件
总结
1
应用领域
2
功率分配器合成器广泛应用于无线电、
雷达、卫星通信、电视广播等领域。
3
未来发展方向
4
未来功率分配器合成器将更加精确、 灵活、出色地满足各个应用领域的需
求。
基本原理
功率分配器合成器利用功率分配器和 合成器的基本原理实现信号的分配和 合成。
基本原理
功率分配器合成器的基本 原理就是将输入的电能分 配到多个输出电路中，同 时保持各个信号的相对功 率水平相同。
应用领域
功率分配器合成器广泛应 用于无线电、雷达、卫星 通信、电视广播等领域。
功率分配器
定义
功率分配器是一种电子器件， 可将电源信号平均地分配到不 同的输出端口上，保持各个输 出信号的相对功率水平相同。
电路等。
3
工作原理
合成器根据电磁波的干涉、倍频、共 振或者振荡等原理进行信号的合成。
功率分配器合成器的设计
设计流程
功率分配器合成器的设计 流程包括选择电路模型、 优化电路参数、验证电路 性能等步骤。
设计方法
常见的设计方法有：基于 传输之线模型、基于二端 口网络的设计、基于矩阵 理论的设计等。
优缺点
设计方法
根据不同的应用需求，选择合适的设 计方法进行电路设计。
可能需要解决的问题
1 成本问题
电子器件的成本仍然是一个制约电子电路发展的重大问题。
2 可靠性问题
电子电路可靠ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ是信息系统的重要技术指标，需要将其作为设计优化的重点。
3 应用场景的多样性问题
不同应用场景的需求不同，需要发展针对性更强的产品和设计方法。
射频实验三
实验三 射频功率分配/合成器设计、仿真与测试一、实验目的1.了解功率分配器的原理及基本设计方法；2.掌握威尔金森功分器的结构、工作原理及S 参量；3.了解利用ADS 进行电路优化仿真的基本步骤及方法；4.掌握利用ADS 微带线计算工具LinCalc 计算、设计微带线；5.了解利用ADS 在电路板级进行电路仿真的方法与步骤。
二、基本理论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。
技术指标• 频率范围：分配器的工作频率• 承受功率：分配器/合成器所能承受的最大功率• 功率分配比：主路到支路的功率分配比• 插入损耗：输入输出间由于传输线（如微带线）的介质或导体不理想等因素,考虑输入端的驻波比所带来的损耗 • 驻波比：每个端口的电压驻波比 • 隔离度：支路端口间的隔离程度 2.1 集总参数功率分配器 2.1.1 电阻式（等功率）23P23P (a )(b )123123△形和Y 形电阻式功率分配器22331P 1用ADS仿真△形功率分配器：原理图如下：仿真结果图：观察上图，可以看出△形功率分配器频宽大，布线面积小，设计简单，但是功率衰减较大。
2.1.2 集总L-C式低通型和高通型功率分配器1P 1Ls2P23P31P1Cs2233 (a)(b)2.2 威尔金森功分器威尔金森功分器的设计与仿真：2.2.1 设计指标：频率范围：0.9-1.1GHz频带内输入端口的回波损耗：S11<-20dB频带内插入损耗：S21>-3.1dB, S31>-3.1dB隔离度：S32<-25dB2.2.2 微带板材参数H:基板厚度(0.8 mm)Er:基板相对介电常数(4.3)Mur:磁导率(1)Cond:金属电导率(5.88E+7)Hu:封装高度(1.0e+33 mm)T:金属层厚度(0.03 mm)TanD:损耗角正切(1e-4)Roungh:表面粗糙度(0 mm)2.2.3 参数优化后原理图功分器的版图：功分器仿真结果：2.3 作业设计一微带结构的威尔金森功分器，指标要求：中心频率：2.45GHz带宽：60MHz输出端口功率比：2：1频带内输入端口的回波损耗：S11<-20dB ，S22<-20dB ，S22<-20dB 隔离度：S32<-25dB 板材参数：H:基板厚度(1.5 mm)， Er:基板相对介电常数(2.65)Mur:磁导率(1)， Cond:金属电导率(5.88E+7) Hu:封装高度(1.0e+33 mm)， T:金属层厚度(0.035 mm) TanD:损耗角正切(1e-4)， Roungh:表面粗糙度(0 mm) 2.3.1 威尔金森功率分配器的原理P 11P 220P 33这是一个功率分配器，Z0是特性阻抗，λg 是信号的波导波长，R 是隔离电阻。
《射频与微波电路设计》--微带功分器、耦合器设计
2 3
1 K / K
Z 02 K Z 03 Z 0
2
K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。
微带功分器（Wilkinson功分器）设计
5
图5-38 图5-37电路的切开
S22 = S23 = 0（因对两种模式激励时，端口2和3都是匹配的）；
S12 = S21 = –0.707（因互易网络的对称性）；
S13 = S31 = –0.707（因互易网络的对称性）； S23 = S32 = 0（因等分上为短路或开路）。
这最后结果意味着端口2和3之间是隔离的。
V x V
e
j x
e
j x
V 0 V
1 V 2
V
V 1 V / 4 jV
2 2
1 jV 1 / 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
和
V 1 jV
图5-47 （a）方形分支电桥；（b）圆形分支电桥
平行耦合线耦合器
平行耦合线耦合器（见 图5-48）具有对称性， 对称面上电流=0，电压 最大，相当于开路，称 为偶对称，另一种分布， 对称面上电压=0，电流 最大，相当于短路，称 为奇对称。耦合线上任 何场分布都可看成奇模 与偶模场分布的组合。 基于奇、偶模分析可得 到耦合线结构3dB定向 耦合器的设计方程。
0 2 f 0 C 1 C 2 Z 0 o
式中f0是耦合器中心频率。
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二、基本理论
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。
① Z0
1 P1
Cp Z0
Z02 ② Rj
Z03 ③
④
Z04
Z0
Z05 g / 4
Z0 ⑤
Ls
2
1
P2
P1
Cp
Lp
Ls
3
P3
Z0
(a)
Cs
2
P2
Lp
Cs
3
P3
(b)
1 P1
技术指标：
2
功分器
P2
3
P3
• 频率范围：分配器的工作频率 • 承受功率：分配器/合成器所能承受的最大功率 • 功率分配比：主路到支路的功率分配比 • 插入损耗：输入输出间由于传输线（如微带线）的介质或导
体不理想等因素,考虑输入端的驻波比所带来的损耗 • 驻波比：每个端口的电压驻波比 • 隔离度：支路端口间的隔离程度
2.1 集总参数功率分配器
1. 电阻式（等功率）
2 P2 Z0
2 P2 Z0/3
1
1
P1
Z0
P1
Z0/3
Z0 3 P3
Z0/3
3
P3
(a)
(b)
△形和Y形电阻式功率分配器
dB(S(1,3)) dB(S(1,2))
Reverse Transmission, dB -3
-4
-5
-6
-7
-8
-9
-10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 freq, GHz
Ls
Z0
20
50
2.3446109 2.3446nH
2 2 2.4109
Cp
1
0 Z 0
1.32631012
1.3263pF
2.2 威尔金森功分器
①
Z02 ②
Z0
Rj
Z03
③
④
Z04
Z0
Z05
g / 4
Z0 ⑤
威尔金森功分器的设计与仿真
设计指标：
频率范围：0.9-1.1GHz 频带内输入端口的回波损耗：S11<-20dB 频带内插入损耗：S21>-3.1dB, S31>-3.1dB 隔离度：S32<-25dB
频率带宽较差、中心频率有偏移，还需要进一步优化
6. 参数优化
➢ 双击 ，选择w2“Tune/Opt/Start/DOE Setup” “Optimization”标签
➢ 设置L变量（12—24）、 r变量(30—120)、w2变量（0.7—0.9）
7. 设置优化方式和优化目标
➢ 选择元件库“Optim/Stat/DOE”，将优化设置控件“Optim”
➢ 【File】【Import】【Substrate From Schematic】，选择相 对应的原理图，更新板材参数。
➢ 鼠标左键单击选中不需要的导体，再单击右键，弹出【Unmap】， 单击之，再点【OK】，去掉该导体等
➢ 单击工具栏里面的保存按钮
➢ 修改(检查)参数【Technology】 【Material Definitions】 ➢ 或者选中想要修改的材料，然后在右侧修改 “Material”的参数
4. 设置优化变量 ➢ 设置优化参数: 在原理图中插入“VAR”控件 ➢ 双击“VAR”控件，设置w1、w2、r，L 四个变量(此处不设单位)
w1=1.52 r=100 w2=0.79 L=16
➢ 设置微带线宽度W和长度L，具体变量设置如图所示（加SP、端口）
5. 原理图仿真：分别查看S11、S21、S22、S23
微带板材参数
H:基板厚度(0.8 mm) Er:基板相对介电常数(4.3) Mur:磁导率(1) Cond:金属电导率(5.88E+7) Hu:封装高度(1.0e+33 mm) T:金属层厚度(0.03 mm) TanD:损耗角正切(1e-4) Roungh:表面粗糙度(0 mm)
1. 创建新的WorkSpace ➢ 建立New Schematic
-20 0.9 GHz 1.1 GHz
优化目标2
dB(S(2,2)) SP1 freq <
-20 0.9 GHz 1.1 GHz
优化目标3
dB(S(2,1)) SP1 freq > -3.1
0.9 GHz 1.1 GHz
优化目标4
dB(S(3,2)) SP1 freq <
-20 0.9 GHz 1.1 GHz
和
优化目标控件“Goal” （共需四个）插入原理图中
➢ 优化目标设置
Expr
SimInstanceName
IndepVar[1] LimitType[1] LimitMin[1] LimitMax[1] Indep1Min[1] Indep1Max[1]
优化目标1
dB(S(1,1)) SP1 freq <
8. 优化仿真 [Simulate][Optimize]
保存优化后的变量值
第一次优化仿真结果
➢ 更改图中的微带弯头
第二次优化仿真结果
9. 功分器的版图生成 ➢ 菜单命令【Layout】【Generate/Update Layout】，单击OK
圆弯头
最优弯头
10. 功分器的版图仿真
➢ 在版图窗口执行菜单命令【EM】【Substrate】，全部单击 【OK】,弹出“Substrate”设置窗口。
实验三 射频功率分配/合成器设计、仿真与测试
一、实验目的
1. 了解功率分配器的原理及基本设计方法 2. 掌握威尔金森功分器的结构、工作原理及S参量 3. 了解利用ADS进行电路优化仿真的基本步骤及方法 4. 掌握利用ADS微带线计算工具LinCalc计算、设计微带线 5. 了解利用ADS在电路板级进行电路仿真的方法与步骤。
优点：频宽大, 布线面积小, 设计简单 缺点：功率衰减较大2.ຫໍສະໝຸດ 集总L-C式低通型和高通型功率分配器
1
Ls
P1
Cp Ls
Z0
2 P2 Cp
3 P3
1
Cs
P1
Lp Cs
Z0
2 P2 Lp
3 P3
(a)
Ls
Z0
20
1
Cp 0Z0
0 2f0
(b)
Lp
Z0
0
Cs
2
0Z0
0 2f0
用ADS仿真：中心频率为2.4GHz的集总参数L-C式低通型功率 分配器，传输线特征阻抗为50欧姆。
2. 画原理图，选择微带线控件 绘图区中，并用线连接
分别放置在
Ctrl+R 旋转 F5 移动文字
3. 利用微带线计算工具计算微带线尺寸参数 ➢ 执行菜单命令【Tools】-【LineCalc】-【Start LineCalc】
➢ 修改参数，然后单击 按钮就可以算出微带线的线宽1.52 mm
➢ Z0 项填入70.7 Ohm，在E_Eff中输入90deg（对应四分之一波长）， 然后单击 算出微带线的线宽0.7889 mm，线长为42.8971mm