T型功分器的设计与仿真
功分器设计--基本理论
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
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（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。
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功分器设计
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波导功分器，即T形分支(E-T、H-T) 微带功分器，即Wilkinson功分器
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波导T形分支（E-T、H-T）
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第9章功率分配器的设计与仿真
第9章功率分配器的设计与仿真第9章功率分配器的设计与仿真章在射频/微波电路中，为了将功率按一定比例分成两路或多路，需要使用功率分配器（简称功分器）。
反过来使用的功率分配器是功率合成器。
在近代射频/微波大功率固态发射源的功率放大器中广泛地使用功分器，而且通常功分器是成对使用，先将功率分成若干份，然后分别放大，再合成输出。
在20世纪40年代，MIT辐射实验室（Radiation Laboratory）发明和制造了种类繁多的波导型功分器。
它们包括E和H平面波导T型结、波导魔T和使用同轴探针的各种类型的功分器。
在20世纪50年代中期到60年代，又发明了多种采用带状线或微波技术的功分器。
平面型传输线应用的增加，也导致了新型功分器的开发，诸如Wilkinson分配器、分支线混合网络等。
本章分析功分器的设计方法，并利用ADS2009设计中心频率为750MHz 的集总参数比例型功分器和中心频率为1GHz的集总参数等分型功分器，进而给出中心频率为1GHz分布参数（Wilkinson）功分器的电路和版图设计实例。
【本章重点】 ? 功分器的原理及技术指标 ? 集总参数功分器的设计及仿真 ? Wilkinson 功分器的设计及仿真9.1 功分器的基本原理一分为二功分器是三端口网络结构，如图9-1 所示。
信号输入端的功率为P1，而其他两个端口的功率分别为P2 和P3。
由能量守恒定律 2 可知 1 功分器 P2 P 1= P 2+ P 3 （9-1） 3 P1 如果 P2（dBm）=P3(dBm)，三端口功率间的 P3 关系可写成图 9-1 功分器示意图 P2（dBm）=P3(dBm)= P1（dBm）-3dB 当然，P2 并不一定要等于 P3，只是相等的情况在实际电路中最常用。
因此，功分器可分为等分型（P2=P3）和比例型（P2=kP3）两种类型。
9.1.1 主要技术指标功分器的主要技术指标包括频率范围、承受功率、主路到支路的分配损耗、输入输出间的插入损耗、支路端口间的隔离带、每个端口的电压驻波比等。
实验一：T型波导内部仿真场分析与优化
实验一：T型波导内部仿真场分析与优化实验目的:理解和分析T型波导分支内部电磁场分布及优化方法。
实验内容：1.建立一个T型波导模型，利用HSFF软件求解，分析，观察T型导波的场分布情况。
2.使用HFSS进行T型波导功分器的优化设计实现，进行参数分析扫描，利用HFSS的优化设计功能实现3端口输出功率为2端口输出功率的2倍、3倍。
然后用重新设计端口激励端，使端口端2为激励端，端口3的输出为端口1的2倍。
实验原理：T型波导功分器又叫T型波导分支器，它能将波导能量从主波导中分路接出，它是微波功率分配器件的一种。
此次设计H面T型分支，使得从1端口输入的功率可以平均的分配给端口2、3，使得2、3端口的TE10波为等幅同向。
同时，通过设置隔片改变各端口的功率分配。
进行扫频设置，观察S参数曲线和电场分布。
实验步骤及结果：一、新建工程设置1．运行HFSS并新建工程双击桌面上的HFSS快捷方式，启动HFSS软件。
HFSS启动后，会自动创建一个默认名称为Project1的新工程和名称为HFSSDesign1的新设计。
从主菜单栏选择命令【File】→【SaveAs】，把工程文件另存为Tee.hfss。
然后右键单击HFSSDesign1，从弹出菜单中选择【Rename】命令项，把设计文件HFSSDesign1重新命名为TeeModal。
2．选择求解类型从主菜单栏选择【HFSS】→【SolutionType】，打开SolutionType对话框，选中DrivenModal单选按钮，单击OK按钮。
3．设置长度单位从主菜单栏选择【Modeler】→【Units】，打开SetModelUnits对话框，选择英寸（in）单位，单击OK按钮。
此时，设置了建模时的默认长度单位，即英寸。
二：创建T形波导模型1．创建长方体（1）从主菜单栏选择【Tools】→【Options】→【ModelerOptions】，打开3DModelerOptions对话框，选择Drawing选项卡，确认选中EditPropertiesofnewprimitives复选框，然后单击确定按钮。
基于SIGW的T型功分器
基于SIGW的T型功分器作者：项猛申东娅王珂来源：《移动通信》2019年第02期【摘; 要】提出了一种SIGW的T型功分器。
采用微带T型一分四功分器的原理，设计了微带功分器加载于SIGW结构上，实现四路功率分配，使用三维电磁仿真软件Ansoft HFSS对该结构进行参数优化。
仿真结果表明，在S11参数-20 dB以下的频段为27.2 GHz—31.2 GHz，传输参数S21、S31、S41、S51都在-6.7 dB左右。
【关键词】SIGW;T型功分器;四功分;HFSS1; ;引言功率分配器的性能直接影响整个系统能量的分配效率。
随着5G一些毫米波频段的发布，高频天线、高频滤波器等器件不断发展，对高频功分器的要求也越来越高。
传统微带传输线功分器（如威尔金森、分支线电桥、环形电桥等），品质因数低、易实现宽带，但其具有损耗大、功率容量小等缺点，且存在平面/非平面集成问题，制作成本高、工艺复杂。
因此，需要适用于毫米波通信的功分器。
基片集成波导（SIW， Substrate Integrated Waveguide）能够实现毫米波应用的平面化和集成化，传输损耗低。
文章设计了一款基于SIW 的功分器[6]，用HFSS仿真设计了Ka波段的SIW功分器，利用SIW的腔体进行功率分配，实际测试结果表明其在毫米波频段具有良好的性能。
2012年，E Pucci等学者提出了印刷脊槽波导（PRGW， Printed Ridge Gap Waveguide）[1]。
2016年，张晶等学者提出将空气间隙替换为介质板，称为基片集成间隙波导（SIGW，Substrate Integrated Gap Waveguide）[2]，从而获得更稳定的间隙高度和更好的性能。
从此，无源器件包括天线和滤波器等被陆续提出[3-5]。
本文提出了一种SIGW功分器，利用T型功分器的理论设计了SIGW功分器。
2; ;SIGW功分器结构SIGW功分器由三层PCB构成（如图1），其上层PCB外侧全覆铜形成PEC（Perfect Electric Conductor，理想电导体），内侧则印刷功分器微带线;其底层PCB上全部印制蘑菇状周期结构以构成PMC（Perfect Magnetic Conductor，理想磁导体）;特别地，在上层和底层还加入了一块空白介质板（中间层）来隔断上层和底层，微带线可以很灵活地布局，不必担心受到周期结构制约。
Wilkinson功分器设计与仿真
图12：由原理图生成的功分器版图
2. 功分器版图的仿真
生成功分器的版图后，为观察功分器的性能，需要在版图里再 次进行S 参数的仿真。参数设置与前面S参数仿真类似。本次功分器 版图的仿真结果如图13所示。可以看出能满足设计指标的要求。
2.功分器的技术指标
1.输入端口的回波损耗 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 P 比来计算: C 10Log P 20Log S 2.插入损耗 输入端口的插入损耗根据输出端口的输出功率与输入端口1 的输 入功率之比来计算：
r i 11 11
以上几点就是本次选题的意义所在
二 功分器的工作原理和技术指标
1.基本工作原理
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及P3。理论上，由能量守恒 定律可知：P1=P2+P3。若P2P3并以毫瓦分贝（dbm）来表示三端口 之间的关系，则可以写成：P2=P3=P1-3（dbm）。
a) H=0.8 mm，表示微带线介质基片厚度为0.8mm。 b) Er=4.3 mm，表示微带线介质基片的相对介电常 数为4.3。 c) Mur=1，表示微带线介质基片的相对磁导率为1。 d) Cond=5.88E+7，表示微带线金属片得电导率 5.88E+7。 e) Hu=1.0e+033mm，表示微带电路的封装高度为 1.0e+033mm。 f) T=0.03mm，表示微带线金属片得厚度为0.33mm。 g) TanD=1e-4，表示微带线的损耗角正切为1e-4。 h) Roungh=0mm，表示微带线的表面粗糙度为0mm。 完成设置的MSUB控件如图7所示：
2.建立工程与设计原理图
T型功分器的设计与仿真
T型功分器的设计与仿真1. 平衡性：输出功率P_out1和P_out2应尽可能相等。
2.高隔离度：输入端与输出端之间应具有较高的隔离度，以避免功率泄漏。
3.低插入损耗：功分器的插入损耗应尽可能小，减少对输入功率的损耗。
下面是一个T型功分器的设计步骤：1.确定工作频率范围：首先确定T型功分器所需工作的频率范围。
根据具体应用要求，选择合适的工作频率范围。
2.确定器件材料：根据工作频率范围的要求，选择合适的材料。
一般来说，常见的T型功分器的制作材料有微带线、传输线等。
3.计算理论参数：根据所选择的材料和频率范围，利用理论计算方法得到T型功分器的理论参数，包括传输线的宽度、长度、阻抗等。
4.布局设计：利用电磁仿真软件，根据计算得到的理论参数进行布局设计。
在设计过程中，需注意布局对于传输线的长度和宽度的限制，确保布局的合理性。
5.优化调整：经过布局设计后，我们需要进行优化调整。
将仿真结果与理论计算值进行比较，进行必要的优化调整，以满足设计要求。
6.电磁仿真：进行电磁仿真，验证设计的可行性。
在仿真过程中，需要检查平衡性、隔离度和插入损耗等参数是否满足要求。
7.制作和测试：根据最终确定的设计，进行器件的制作。
制作完成后，进行相关测试，验证设计的正确性和性能指标。
至于具体的仿真软件和参数设置，不同的工程师和设计需求可能会使用不同的工具和方法。
常用的仿真软件包括ADS、Microwave Office等，可以根据自己的熟悉程度和实际需求选择合适的工具。
总结起来，T型功分器的设计与仿真是一个较为复杂的过程，其中涉及到材料的选择、理论参数的计算、布局设计、电磁仿真等多个环节。
只有经过合理的设计和仿真验证，才能得到满足要求的T型功分器。
T型功分器的设计与仿真
T型功分器的设计与仿真1.改进型威尔金森功分器的工作原理功率分配器属于无源微波器件，它的作用是将一个输入信号分成两个(或多个)较小功率的信号，工程上常用的功分器有T型结和威尔金森功分器。
威尔金森功分器是最常用的一种功率分配器。
图1所示的为标准的二路威尔金森等功率分配器。
从合路端口输入的射频信号被分成幅度和相位都相等的两路信号，分别经过传输线Bl和BZ，到达隔离电阻两端，然后从两个分路端口输出，离电阻R两端的信号幅度和相位都相等，R上不存在差模信号，所以它不会消耗功率，如果我们不考虑传输线的损耗，则每路分路端口将输出二分之一功率的信号。
图1威尔金森功分器但是这种经典威尔金森等功率分配器有几个缺点:1、大功率应用的时候，要求隔离电阻的耗散功率大因此电阻的体积也会比较大2、如果功分器应用于较高的频段，波长就会与大功率电阻的尺寸相比拟，这样就需要考虑电阻的分布参数。
3、为了提高功分器性能，就要尽量减小Bl和BZ这两段传输线之间的藕合，因此在实际设计时，要求四分之一波长传输线Bl、BZ之间的距离较大，在低频应用时，由于四分之一波长较长，占用面积还是太大了，此外，四分之一波长传输线Bl、BZ的阻抗较高，因此线宽较细，制板的相对误差更大[24]。
为克服这些缺点，本文采用了一种改进型的威尔金森等功率分配器，如图2所示图2 改进型威尔金森功分器可以看到，它仅由四段传输线组成，没有隔离电阻。
传输线A 、Cl 、CZ 的特 征阻抗均为Z0。
传输线B 位于A 和Cl 、CZ 之间，它的电长度为四分之一波长， 特征阻抗为Z0/2。
从合路端输入的信号，通过传输线B ，被分成幅度和相位相等的的两路信号，分别经过传输线Cl 和C2到达分路端口一和二，在整个结构中，传输线B 起到了阻抗变换的作用。
从传输线A 、B 相接处向左看，输入阻抗为Z0。
从传输线B 与C1、C2相接处向右看，输入阻抗为Z0/2。
利用四分之一阻抗变换器的原理我们知道，传输线的特征阻抗为2/00Z Z •，即Z0/2。
一分四功分器的设计与仿真
一分四功分器的设计与仿真作者：刘楷来源：《科技创新与应用》2018年第18期摘要：在微波电路中，功分器是将一路功率按照比例分为两路或多路分支，这种器件叫功分器。
功分器的实现方式有很多种，可以用微带线、共面波导、槽线、不对称共面带线等传输线实现。
文章对功分器的应用及参数进行了简单介绍，利用CST仿真软件对一分四功分器进行设计，着重讲述了功分器设计中的参数计算和优化过程。
关键词：微波；功分器；电磁仿真；损耗；参数优化中图分类号：TN626 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）18-0084-03Abstract： In microwave circuit， power divider is divided into two or more branches according to the proportion of the power. This device is called power divider. There are many ways to realize the power divider， such as microstrip line， coplanar waveguide， slot line， asymmetric coplanar strip line and so on. In this paper， the application and parameters of the power divider are briefly introduced， and the design of the sub-four power divider is carried out by using the CST simulation software， and the process of parameter calculation and optimization in the design of the power divider is emphatically described.Keywords： microwave； power divider； electromagnetic simulation； loss； parameter optimization1 功分器的介绍功率分配器是一种在现代通信中广泛应用的微波无源器件，被广泛应用于通信、雷达以及电子站等电子系统中。
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T型功分器的设计与仿真
1.改进型威尔金森功分器的工作原理
功率分配器属于无源微波器件，它的作用是将一个输入信号分成两个(或多个)较小功率的信号，工程上常用的功分器有T型结和威尔金森功分器。
威尔金森功分器是最常用的一种功率分配器。
图1所示的为标准的二路威尔
金森等功率分配器。
从合路端口输入的射频信号被分成幅度和相位都相等的两路信号，分别经过传输线Bl和BZ，到达隔离电阻两端，然后从两个分路端口输出，离电阻R两端的信号幅度和相位都相等，R上不存在差模信号，所以它不会消耗功率，如果我们不考虑传输线的损耗，则每路分路端口将输出二分之一功率的信号。
图1威尔金森功分器
但是这种经典威尔金森等功率分配器有几个缺点:
1、大功率应用的时候，要求隔离电阻的耗散功率大因此电阻的体积也会比较大
2、如果功分器应用于较高的频段，波长就会与大功率电阻的尺寸相比拟，这样就需要考虑电阻的分布参数。
3、为了提高功分器性能，就要尽量减小Bl和BZ这两段传输线之间的藕合，因此在实际设计时，要求四分之一波长传输线Bl、BZ之间的距离较大，在低频应用时，由于四分之一波长较长，占用面积还是太大了，此外，四分之一波长传输线Bl、BZ的阻抗较高，因此线宽较细，制板的相对误差更大[24]。
为克服这些缺点，本文采用了一种改进型的威尔金森等功率分配器，如图2所示
图2 改进型威尔金森功分器
可以看到，它仅由四段传输线组成，没有隔离电阻。
传输线A 、Cl 、CZ 的特 征阻抗均为Z0。
传输线B 位于A 和Cl 、CZ 之间，它的电长度为四分之一波长， 特征阻抗为Z0/2。
从合路端输入的信号，通过传输线B ，被分成幅度和相位相等的的两路信号，分别经过传输线Cl 和C2到达分路端口一和二，在整个结构中，传输线B 起到了阻抗变换的作用。
从传输线A 、B 相接处向左看，输入阻抗为Z0。
从传输线B 与C1、C2相接处向右看，输入阻抗为Z0/2。
利用四分之一阻抗变换器的原理我们知道，传输线的特征阻抗为2/00Z Z •，即Z0/2。
因此，整个电路处于功率分配与合成时，在中心频点处，三个端口都能匹配良好，没有反射。
这种改进型的结构克服了标准威尔金森功分器的一系列缺点，同时由于省略了隔离电阻，所以成本降低，也不存在电阻分布参数的问题，与传统威尔金森功分器相比，减少了一段四分之一波长传输线，另外，构成变换器的四分之一波长传输线B 的特征阻抗较低，线宽较宽，能有效降低制板误差。
2功分器的设计与仿真
通过前面的分析，我们知道改进型威尔金森功分器四段传输线特征阻抗之间 的比例关系。
由此可得，传输线A 、C1和C2的特征阻抗均为50Ω，而传输线B 的特征阻抗为352/0=Z Ω
为了实现右旋圆极化，经过C2输出的信号要比经过Cl 的相位超前︒90，即Cl 要比C2长λ4/1g (λg 为中心频率所对应的介质波长)。
设计的功率分配器
如图3所示，传输线段B 的长度约为λ4/1g ，起阻抗变换的作用。
传输线段
Cl、C2的3、4分段长度相等，而C1的1、2分段长度之和为λ4/1g，这样就使得Cl比C2长λ4/1g，同时，传输线弯角处采用︒45形式，以减小拐角处不连续所引起的反射和幅射。
图3威尔金森功分器设计图
采用介电常数为4.4，厚度为lrn们n的FR4板材来制作功分器。
我们利用TXLine软件来计算各段传输线线的宽度。
TXLine是一款专门用于计算传输线参数的软件，简单实用。
运行界面如图4所示，选择微带线模式(MicrostriP)，中心频率为1.593GHz、介电常数4.4、介质基片厚度1mm、阻抗值先后输入50和35、铜箔厚度0.017mm等参数，就可以计算出微带线的初始宽度。
经过计算，特性阻抗为35Ω和50Ω微带线的初始宽度分别为:3.3mm和1.9rnrn。
计算出传输线的宽度后，我们对馈电功分网络进行布局，根据需要对局部传输线的长度进行小范围调整。
图4TXLine计算微带线宽度
下面我们使用ADs电磁仿真软件对馈电网络功分器进行仿真优化。
利用上节设计所得到的初始尺寸，建立如图4所示的功分器原理图，利用ADS中OPTIM 控件的优化功能，经过数次优化，最终得到的仿真结果如图5所示:
图4 功分器ADS原理图
图5功分器ADS原理图仿真结果
从图5(a)中可以看出，dB(s(3，l))和dB(s(2，l))在通带范围内基本都保持在-3dB，即两个输出端口的信号功率都近似为输入信号的一半，dB(s(1，1)在通带范围内均在-30dB以下，输入端匹配良好;图5(b)为两输出端的相位差，从中可以看出，在通带范围内相位差基本保持在
90左右，满足设计要求。
版图的仿真是采用矩
量法直接对电磁场进行计算，它的仿真结果要比原理图更加精确一些，由原理图生成的版图如图6所示:
图6功分器ADS版图
图7功分器ADS版图仿真结果
从图7中可以看出版图的仿真结果与原理图的相差不大，图7(b)所显示
的两输出端口相位差与原理图相比稍微变差，为 6.
87，可以接受。
综上，版图的仿真结果基本满足了指标要求，如果结果不理想的话，我们可以重新回到原理图中进行再次优化调整，直到满足要求为止。