等分威尔金森功分器的设计
威尔金森是怎么设计出威尔金森功分器的？
威尔金森是怎么设计出威尔金森功分器的？威尔金森功分器是个好东西，在射频领域里面应用很广泛。
第一次认识它是在教科书上，书上介绍了他的原理，自己也琢磨了很久，也理解了奇偶模分析的方法和隔离电阻的作用。
但是一直想知道威尔金森是怎么设计出来的？我们是否也可以按照一定的思路设计功分器呢？下面就去找这个思路，最终找到的这个思路可以方便的设计各种各样的功分器，俺的同事已经实践了哈，大家看完也可以试验一把。
首先明确一下这个功分器的要求：1.在微波射频领域，能量是非常宝贵的，所以设计的功分器不能够额外损失能量，如果分为两路的话就是每一路损耗3dB，即︱S21︱=︱S31︱=0.7072.各端口均50欧姆匹配，且两个输出口的完全隔离，即︱S11︱=︱S22︱=︱S33︱=︱S32︱=︱S23︱= 0图2根据以上的要求，我们设计一个对称的功分器，这样就可以只考虑一个端口，上面条件的一半就可以了，即︱S21︱=0.707，︱S11︱=︱S22︱=︱S32︱=0。
如图2所示，从中间把这个我们要设计的功分器分开，两边的的电压都是一模一样的，处处都是开路点。
1．由于端口1匹配，所以输入阻抗为50欧姆。
从1端口输入的能量分为对称的两路，那么每一路的阻抗都是100欧姆。
这个功分器第一个任务的就要用开路线左边的部分把端口2的50欧姆变换到100欧姆，且无损耗。
2．根据微波网络的理论，如果我们使用的都是电容，电感，传输线，电阻这些互易原件，那么整个功分器也就是互易的（关于对这个理论的理解后面文章会给出解释）。
即︱S2 1︱=︱S12︱=0.707。
也就是从端口2到端口1的能量为一半，那另外一半呢？又不能反射回去，又不能泄漏到端口3。
所以这个功分器的第二个任务就是要有一个电阻来吸收端口2入射过来的一半能量。
这个需求太抽象了，还要细化分解，下面利用奇偶模的方法来分析一下。
如下图所示，从端口2输入一个电压幅度为1的波，分解为奇偶模式，偶模式就是1端口输入情况下功率分配的逆过程，端口2、3均无反射波，有一半的能量从端口1输出，那么奇模的能量必须都要消耗到电阻上，不能有反射波回来。
威尔金森功分器和t型功分器
Wilkinson（威尔金森））功分器和T型功分器都是常用的功率分配器件，它们的设计目的都是将输入信号等分到两个输出端口，但是它们的结构和工作原理有所不同。
Wilkinson功分器是一种基于差分放大器的功率分配器件，它的输出端口之间有一定的隔离度，并且可以实现任意功率分配。
Wilkinson功分器由一个差分放大器和一个隔离电阻组成，其中隔离电阻用于将差分放大器的两个端口隔离开来，从而避免了信号的相互干扰。
Wilkinson功分器的设计要求差分放大器的带宽足够宽，以保证输出信号的频率响应良好。
T型功分器是一种简单的功率分配器件，它由三个电阻组成，其中两个电阻连接在一起作为输入端口，另一个电阻连接到输出端口。
T型功分器的输出端口之间没有隔离度，因此需要通过其他方式来实现隔离。
T型功分器的设计相对简单，但其带宽较窄，因此适用于低频信号的分配。
总的来说，Wilkinson功分器和T型功分器都有其适用的场景和优缺点。
在选择功率分配器件时，需要根据具体的应用场景和需求来选择最合适的器件。
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。
威尔金森是怎么设计出威尔金森功分器的
威尔金森是怎么设计出威尔金森功分器的威尔金森功分器是一种用于将输入信号分解为功率成分的电路。
它由英国工程师威尔金森于1947年设计，并在1950年的《电子工程师杂志》上发表。
这个电路设计的初衷是为了解决实际电路中功率测量的问题。
威尔金森功分器的设计是基于一种被称为“复制器”的元件。
复制器是一种有两个输入端和两个输出端的电路，其特点是在两个输出端上复制输入信号。
复制器的设计实现了信号的复制，这在威尔金森功分器的设计中起到了关键作用。
威尔金森功分器的电路结构如下：
威尔金森功分器设计与仿真威尔金森功分器（Wilkinson Power Divider）是一种常用的微波功分器，广泛应用于无线通信和雷达系统中。
它能将输入信号均匀地分配到两个输出端口，并且具有较宽的工作频率范围和较低的插入损耗。
本文将介绍威尔金森功分器的设计原理和仿真方法。
1.威尔金森功分器的设计原理```┌─Z1─┐RF in ─┤ ├─ Z2 ─ RF out1├─Z0─┤└─Z3─┘RF out2```其中，RF in为输入端口，RF out1和RF out2为输出端口，Z0为特征阻抗，Z1和Z2为等效阻抗，Z3为耦合阻抗。
在设计过程中，首先需要确定特征阻抗Z0的数值，一般为50欧姆。
然后，根据所需的功分比例，计算等效阻抗Z1和Z2的数值。
最后，选择合适的耦合阻抗Z3，使得整个电路达到最佳的工作性能。
2.威尔金森功分器的仿真方法首先，打开ADS软件并创建一个新的工程。
然后，在工程中添加一个新的设计，选择“Schematic”类型。
在Schematic设计界面中，依次添加所需的元件，包括传输线、阻抗匹配器和耦合器。
其中，传输线用于连接输入端口和输出端口，阻抗匹配器用于实现输入和输出的阻抗匹配，耦合器用于实现信号的均匀分配。
接下来，设置传输线的特性阻抗和长度，以及阻抗匹配器和耦合器的阻抗数值。
通过调整这些参数，可以实现所需的功分比例和工作频率范围。
完成电路设计后，可以进行仿真和优化。
选择“Simulation”菜单，设置仿真参数，如频率范围和步长。
然后，运行仿真并得到结果。
根据仿真结果，可以评估电路的性能，并进行优化。
如果需要改变功分比例或工作频率范围，可以调整各个元件的数值，并重新运行仿真。
最后，完成电路设计和优化后，可以进行PCB布局和封装设计。
根据实际需求，选择合适的材料和尺寸，并进行布局和封装设计。
总结：本文介绍了威尔金森功分器的设计原理和仿真方法。
通过合理选择和调整各个元件的数值，可以实现所需的功分比例和工作频率范围。
威尔金森(wilkinson)功分器设计
此功分器比较简单。
如果只是做仿真，ADS较为方便，如果要做实物或产品的话，HFSS比较可靠。
本人亲测HFSS仿真结果和实物基本一致，ADS差别不一。
多节功分器原理和单节一样，网上有多节等分功分器归一化数据表格，按照表格中的值球的传输线阻抗得到的功分器只需要少许优化即可。
接下来以双节8-11G功分器大致介绍一下设计流程。
如图所示，L0和L3都是Z0阻抗的传输线，一般选择为50Ω，在ADS中可以算出现款和线长，线的长度L0和L3对功分器没太大影响，所以在做的时候可以根据要求增加或减少。
因为是8-11G的，f2/f1<1.5，所以双节的都满足要求，可以用频带宽度比为1.5的功分器，这样的话隔离度更好。
查表得到L1L2归一化阻抗分别是1.1998和1.6070归一化电阻为5.3163和1.8643，得到阻抗和电阻值分别是60、80.33和93、265，注意的是电阻顺序是倒过来的这样分别用微带线计算软件算得两段线的带宽和π/4线长，分别是0.324/6.28和0.653/6.15，这样在HFSS中九可以建立模型仿真，在建模的时候做成参数模型，这样可以调节和优化，电阻直接在合适的地方画一个矩形，右键lumped RLC可以设置。
模型可以做成实际的0.035mm的铜，也可以设置成perfect E，大致都差不多，我做过一个，实测和仿真基本上一致，损耗都在3.2左右，隔离倒是有点差，差了约5db。
有些做成弧形，原理都是一样，个人觉得倒是美观很多。
弧形这个是我对上面功分器改变形状得来的，出来的效果只是差了一点点。
对了，基片背面需要铺地，否则仿真时可能有问题，本人也是兴趣自己做着玩的，不是专业的，有错请指正，有需要模型或交流的可以联系我，最后总结一下。
1、建模的时候最好建立参数模型，可调可优化；2、基板背面最好铺地；3、在仿真的时候波端口向量应该向接地（向下）；4、归一化电阻值顺序和归一化阻抗是相反的；5、输入端的驻波比要好好仿真，容易变差；。
ADS的等分威尔金森功分器仿演示课件
等分威尔金森功分器的设计
指导老师： 学生：
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选题背景及意义
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。功率 分配器又可以逆向使用 作为功率合成器，因此 有时又称为功率分配/合 成器 。
功分器实物图：
2
课题任务及主要技术指标
课题任务： 通过功分器的学习，利用ADS仿真软件， 设计一个等分威尔金森功分器，并仿真 得到其各端口的S参数。
等分威尔金森功分器设计主要技术指标： • 频率范围：0.9～1.1GHz • 频带内输入端口的回波损耗：C11>20dB • 频带内的插入损耗：C21<3.1dB,C31<3.1dB • 两个输出端口间的隔离度：C23>25dB
• 功分器设计的重点功分器原理图的仿真 及优化
• 功分器设计的关键是电路参数的优化， 以及版图的仿真。
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威尔金森功分器原理图
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原理图生成的功分器版图
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课题完成结果：原理图的S 参数仿真结果
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结论：从图中结果可以看出，采取理论计 算的结果作为功分器的参数时，除了S11 参数外，各项指标都不上十分理想，功分 器在所要求的全频带内隔离度没有达到指 标，并且平坦度较差，并且当频率偏移中 心频率1GHz时，S11参数出现了严重的恶 化，所有还需要对功分器的各个参数进行 优化。
3ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
功分器电路结构图
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主要内容
• 首先介绍微带型的功分器的工作原理和 主要技术指标；
• 利用ADS对功率分配器的电路原理图进行 设计、仿真及其优化；
大连海事大学射频电路设计威尔金森功分器设计实验报告
实验二：wilkinson 功分器设计报告一、实验目标1. 掌握功分器的原理及基本设计方法。
2. 学会使用电磁仿真软件ADS 对功分器进行仿真。
3. 掌握功分器的实际制作和测试方法，提高动手设计能力。
二、实验要求1. 充分做好实验前的准备工作，认真学习电磁仿真软件ADS 。
2. 掌握微波器件和微波测试仪器的使用方法，以免损坏器件和仪器。
3. 分析仿真结果与测试结果，记录必要数据。
三、设计思路四、理论设计：Wilkinson 功率分配器有三端口网络构成，如下图，信号由端口1输入，端口2和端口3输出。
理想3dB 微带wilkinson 功率分配器的散射参量为 S=-1/因为S11=S22=S33=0，所以理想状态下在中心频率，三个端口是完全匹配的。
因为S21=S31=-j/ ，所以在端口1有输入而其他端口匹配时，端口2和端口3有等幅同相的输出，并且都比输入信号之后90度，这说明这是一个功分比为1的3dB 功率分配器。
因为S23=S32=0,所以这个功率分配器两个支路是完全隔离的。
因为有 段，所以这个功率分配器不是带宽器件。
功分器的技术指标主要包括频率范围、端口电压驻波比或回波损耗、输入输出间的传输损耗、输出端口间的隔离度。
1.频率范围频率范围是各种射频和微波电路工作的前提，功率分配器的设计结构和尺寸大小与工作频率有密切关系，必须首先明确功分器的工作频率，才能进行具体的设计工作。
本实验取，中心频率f0=1GHz 带宽BW ：0.9GHz —1.1GHz 。
2.端口的电压驻波比（回波损耗）理论设计ADS 软件仿真加工制作实验测试调试修正端口的电压驻波比或反射系数是射频和微波电路的一个重要指标，它反映了端口的匹配状况。
端口1，端口2和端口3的电压驻波比或反射系数，分别有散射参量S11，S22，S33决定。
其中端口1的电压驻波比为用同样方法可以测得端口2和端口3的电压驻波比和回波损耗。
3.输入输出时间的传输损耗定义为输出端口2（端口3）的输出功率P2(P3)和输入端口1的输入功率P1之比，记为输入输出时间的传输损耗是由于传输线的介质或者导体不理想等原因导致的，介质的损耗角正切和导体的电导率是形成损耗的原因。
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摘要本文对一个等分威尔金森功分器进行了仿真，分析了功分器的基本原理，介绍了ADS软件基本使用方法，并选择了频率范围：0.9～1.1GHz，频带内输入端口的回波损耗：C11>20dB，频带内的插入损耗：C21<3.1dB,C31<3.1dB，两个输出端口间的隔离度：C23>25dB为设计指标的等分威尔金森功分器。
先进行威尔金森功分器原理图的设计，再用ADS软件进行原理图仿真，得出的结论采用理论计算的结果作为功分器参数时，功分器并没有达到所需设计的指标，所以要对功分器的各个参数进行优化。
优化后所得到的最佳数据保存以后再进行功分器版图的仿真，各项指标基本达到设计所需的要求。
关键词：仿真，威尔金森功分器，ADS，优化ABSTRACTIn this paper a power dividers quintiles Wilkinson is simulated, and analyzes the basic principle of power dividers, introduces the basic use ADS software method, and choose the frequency range: 0.9～GHz, frequency band 1.1 input ports C11 > 20dB return loss:, frequency band insertion loss: C21 < 3.1 dB, C31 < 3.1 dB, between the two output port C23 > 25dB isolation ratio: for the design index equal power dividers Wilkinson. First conducts the power dividers Wilkinson schematic design, reoccupy ADS software simulation principle diagram, the conclusion of the theoretical calculation result as parameters when power dividers power dividers did not reach the required design to index, so the power dividers various parameters were optimized. After optimization of the best data preserves received after power dividers again, and all the indexes of simulation territory to meet the design requirements of basic required.Key words：Simulation Wilkinson Power dividers ADS optimization目录第1章引言 (1)1.1 功分器的发展概述 (1)1.2本次设计的主要工作 (3)第2章功分器的技术基础 (4)2.1基本工作原理 (4)2.2 功分器的技术指标 (6)第3章 ADS介绍 (8)3.1 ADS发展概述 (8)3.2 ADS 的仿真设计方法 (9)3.3 ADS的辅助设计功能 (10)3.4 ADS与其他EDA软件和测试设备间的连接 (15)3.5 ADS应用结论 (15)第4章功分器的原理图设计、仿真与优化 (16)4.1等分威尔金森功分器的设计指标 (16)4.2建立工程与设计原理图 (16)4.3基本参数设置 (16)4.4功分器原理图仿真 (19)4.5功分器的电路参数的优化 (26)第5章功分器版图的生成与仿真 (28)5.1功分器版图的生成 (28)5.2功分器版图的仿真 (34)第6章结论 (37)参考文献 (38)致谢 (35)外文资料原文 (36)译文 (44)主要符号表1P ...................................................1端口的输入功率 2P ...................................................2端口的输出功率 3P ...................................................3端口的输出功率 0Z ..................................................输入端口特性阻抗 02Z ..........................................4λ分支微带线的特性阻抗 03Z ..........................................4λ分支微带线的特性阻抗 2R .................................................2端口接的负载电阻 3R .................................................3端口接的负载电阻 2U .....................................................2端口输入电压 3U .....................................................3端口输入电压 2in Z ....................................................2端口输入阻抗 3in Z ....................................................3端口输入阻抗 r P ..........................................................反射功率 i P ..........................................................入射功率 11S .....................................端口2匹配时，端口1的反射系数 21S .........................端口2匹配时，端口1到端口2的正向传输系数 31S .........................端口3匹配时，端口1到端口3的正向传输系数 11C ..........................................................回波损耗 21C ..........................................................插入损耗 31C ..........................................................插入损耗 23C ...........................................................隔离度第1章引言1.1 功分器的发展概述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。
功率分配器又可以逆向使用作为功率合成器，因此有时又称为功率分配/合成器。
对于高效率应用场合，对功率分配器的主要要求是：插损较小，各路幅度和相位一致性要好，以保证较高的分配与合成效率；两支路之间的隔离度要好，平滑度高，当其中的一路出现故障时不至于影响另一路的正常工作或影响很小，以提高设备的安全系数和可靠性；宽频带，即在超宽的频带内达到所要求的性能；电路形式简单，容易调整，且体积小，以便于设备的小型化和实现批量生产；有足够的功率容量，以满足大功率分配合成的需要。
当功率分配/合成器的工作频率较低时，其理论分析与实际研制都能达到较高的效果，但随着频率升高，特别是在10GHz以上，则会带来许多的问题：要求加工精度更高，微带线的损耗增加，微带不连续模型不够精确，隔离电阻尺寸可以与波长相比拟，不再是一个纯电阻，且波长变短使分配/合成器的体积减小带来微带间的耦合等等。
随着我国军事装备发展的突飞猛进，对频率高端，尤其是2GHz～10GHz宽频带内高可靠微波功分器的应用也越来越广，需求量迅猛增加。
特别是在微波测量和电子对抗系统中，为提高装备的实用性和多信号捕捉能力，往往选用宽带体制来作为系统方案，此时对功分器提出了全频带带宽覆盖的要求。
功分器是微波接收、发射及频率合成系统中不可缺少的部件，无论是微波通信、雷达、遥控遥感、电子侦测、电子对抗还是微波测量系统中，都有将信号等功率分配的要求，讲信号等功率分配为多路，再分别进行处理，是非常普遍的应用。
在发射系统中，将功分器反转使用，就是功率合成器，在中、大功率发射源中，对整个系统性能有着重要的影响。
尤其是在多通道侧向系统中，更是决定着系统性能的关键部件，对幅度的一致性、相位的一致性指标有着严格的要求，这样才能保证系统的测量精度。
微波功分器除了幅度、相位一致性要求外，对功分器的插入损耗还有着较高的要求，以避免过大的损耗降低信号强度。
同时，为保证各路之间的不受串扰的影响，隔离度指标也相当的重要，在微波测量系统中尤其如此。
此外，在微波发射源中作为微波功率合成器使用时，对微波功分器的承受功率还有更高的要求。
近年来随着我国国民经济和科学技术的发展，电子信息尤其是无线通信日新月异，3G还没普及，4G已经崭露头角，功率分配器不仅应用在射频功率的分配和合成，在超宽带短脉冲电磁场应用中，采用阵列天线的技术是提高探测距离是较为理想的选择，阵列天线的关键技术——功分器的研制就相当重要。
无线电发射设备中，为了保证足够远的传输距离，待传输信号须经过一系列的功率放大直至获得足够大的功率再送至发射天线。
采用功率合成技术将多路固态器件输出功率进行同向叠加，是获得更高输出功率的有效途径之一。
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。
单波传输使得系统的增益达不到实际的要求，从而必须实现多波传输，也就是将功率进行分配，即产生了功率分配器，简单功分器。
本文设计仿真的是最简单最经典的威尔金森功分器，在射频电路和测量系统中，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信质量，而微带功分器在实践应用中显得更为突出。