微波器件特性的研究微波功分器的研究设计.docx

微波器件特性的研究微波功分器的研究设计.docx

《微波器件特性的研究微波功分器的研究设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《微波器件特性的研究微波功分器的研究设计.docx（52页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

微波器件特性的研究微波功分器的研究设计

（此文档为word格式，下载后您可任意编辑修改！

）

安徽建筑大学

毕业设计（论文）

专业通信工程

课题微波器件特性的研究

——微波功分器的研究

2015年5月20日

摘要

本文介绍了等分威尔金森功分器的基本原理，给出了威尔金森功分器的设计过程，并介绍了ADS软件基本使用方法。

针对功率分配器的设计指标：

特性阻抗为50Ω工作在900－1100MHz频段内，通带内各端口反射系数小于-20dB，通带内两输出端口间的隔离度小于-25dB，通带内传输损耗小于3.1dB。

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。

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的设计指标，所以还要对功分器的参数进行优化，最后进行功分器版图的生成和仿真。

关键词：

微波威尔金森功分器ADS优化仿真

Abstract

ThispaperintroducesthebasicprinciplesofequalportionsWilkinsonsplitters,giventheWilkinsonpowerdividerwasdesignedtoprocess,andintroducesthebasicuseADSsoftwaremethod.Thedesignspecificationsforthepowerdivider:

reflectioncoefficientofeachportwithinthepassbandislessthan-20dB,theisolationbetweentwooutputportsinthepassbandislessthan-25dB,thetransmissionlossinthepassbandlessthan3.1dB.FirstconductsthepowerdividersWilkinsonschematicdesign,reoccupyADSsoftwaresimulationdiagram,theconclusionofthetheoreticalconclusionresultasparameterswhenpowerdividerspowerdividersdidnotreachtherequireddesigntoindex,sothepowerdividersvariousparameterswereoptimized.Finally,conductingthegenerationandSimulationoftheterritoryofthepowerdivider.

Keywords:

MicrowaveWilkinsonPowerDividersADSOptimizationSimulation

1.2微波的主要特性2

2功分器的技术基础5

2.1微波理论基础5

2.2功分器的原理7

2.3功分器的技术指标9

4.3功分器原理图的仿真22

5功分器版图的生成与仿真31

5.1功分器版图的生成31

5.2功分器版图的仿真32

6结论34

参考文献35

微波器件特性的研究

—微波功分器的研究

1引言

1.1微波的概念及应用

微波是频率非常高的电磁波，通常是指频率为300MHz到3000GHz范围内的无线电波，其波长范围在1mm～1000mm，分为分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波。

微波频率比一般的无线电波频率高，通常也称为“超高频电磁波”。

微波作为一种电磁波也具有波粒二象性。

微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。

对于玻璃、塑料和瓷器，微波几乎是穿越而不被吸收。

对于水和食物等就会吸收微波而使自身发热。

而对金属类东西，则会反射微波。

从电子学和物理学的观点看，微波这段电磁谱具有一些不同于其他波段的特点。

微波在电子学方面的特点表现在它的波长比地球上很多物体和实验室中常用器件的尺寸相对要小很多，或在同一量级。

这和人们早已熟悉的普通无线电波不同，因为普通无线电波的波长远大于地球上一般物体的尺寸。

当波长远小于物体（如飞机、船只、火箭、建筑物等）的尺寸时，微波的特点和几何光学的相似。

利用这个特点，在微波波段能制成高方向性的系统（如抛物面反射器）。

当波长和物体（如实验室中的无线电设备）的尺寸有相同量级时，微波的特点又与声波相近,例如微波波导类似于声学中的传声筒;喇叭天线和缝隙天线类似于喇叭、箫和笛；谐振腔类似于共鸣箱等。

波长和物体尺寸在同一量级的特点，提供了一系列典型的电磁场边值问题。

（1）通信方面的应用。

由于微波频带宽，信息容量大，因此微波可用于多路通信。

在有线通信方面，利用同轴电缆可以同时传送几千路和几路电视信号；在无线通信方面，利用微波的中继接力传送电视信号，利用微波能穿透电离层的特性，可进行卫星通信和宇航通信，利用外层空间三颗互成120°角的同步卫星，就能实现全球通信和电视实况转播。

（2）国防应用。

雷达是微波技术的早期应用，正是由于第二次世界大战期间对于雷达的需要，微波技术才迅速发展起来。

雷达设备可以利用微波信号准确地测定目标的方向、距离和速度，从而对运动目标实现定位、跟踪和识别。

目前，用于军事上的有制导雷达、跟踪雷达、警戒雷达和炮瞄雷达等；用于民用上的有导航雷达、气象雷达和遥感雷达等。

（3）科学研究方面的应用。

微波可以作为科学研究的一种重要手段。

根据各种物质对微波吸收的不同，可以用来研究物质的内部结构；利用大气对微波的吸收和反射特性，来观察气象的变化；在射电天文学中，利用微波作为一种观测手段，可以发现新的星体。

1.2微波的主要特性

微波波段有着其他波段不同的显著特性，主要表现在以下几方面。

（1）似光性。

微波波长非常小，当微波照射到某些物体上时，将产生显著的反射和折射，就和光线的反、折射一样。

同时微波传播的特性也和几何光学相似，能像光线一样地直线传播和容易集中，即具有似光性。

这样利用微波就可以获得方向性好、体积小的天线设备，用于接收地面上或宇宙空间中各种物体反射回来的微弱信号，从而确定该物体的方位和距离，这就是雷达导航技术的基础。

（2）穿透性。

微波照射于介质物体时，能深入该物体内部的特性称为穿透性。

例如微波是射频波谱中惟一能穿透电离层的电磁波（光波除外）。

因而成为人类外层空间的“宇宙窗口”；微波能穿透生物体，成为医学透热疗法的重要手段；毫米波还能穿透等离子体，是远程导弹和航天器重返大气层时实现通信和末端制导的重要手段。

（3）信息性。

微波波段的信息容量是非常巨大的，即使是很小的相对带宽，其可用的频带也是很宽的，可达数百甚至上千兆赫。

所以现代多路通信系统，包括卫星通信系统，几乎无例外地都是工作在微波波段。

此外，微波信号还可提供相位信息、极化信息、多普勒频率信息。

这在目标探测、遥感、目标特征分析等应用中是十分重要的。

（4）非电离性。

微波的量子能量不够大，因而不会改变物质分子的内部结构或破坏其分子的化学键，所以微波和物体之间的作用是非电离的。

而由物理学可知，分子、原子和原子核在外加电磁场的周期力作用下所呈现的许多共振现象都发生在微波范围，因此微波为探索物质的内部结构和基本特性提供了有效的研究手段。

1.3功分器的概述

功分器全称功率分配器，是一种将一路输入信号能量分成两路或多路输出相等或不相等能量的器件，也可反过来将多路信号能量合成一路输出，此时可也称为合路器。

一个功分器的输出端口之间应保证一定的隔离度。

功分器按输出通常分为一分二（一个输入两个输出）、一分三（一个输入三个输出）等。

功分器的主要技术参数有功率损耗（包括插入损耗、分配损耗和反射损耗）、各端口的电压驻波比，功率分配端口间的隔离度、幅度平衡度，相位平衡度，功率容量和频带宽度等。

当功率分配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，但随着频率的升高，特别是在10GHz以上，则会带来许多问题：

要求加工精度更高，微带线的损耗增加，微带不断连续模型不够精确，隔离度电阻尺寸可以与波长相比拟，不再是一个纯电阻，且波长变短使功分器的体积减小带来微带间的耦合等到。

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，都将信号等功率分配的要求，将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。

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还没普遍，4G已经崭露头角，功率分配器不仅应用在射频功率的分配与合成，在超宽带短脉冲电磁场应用中，采用陈列天线的技术是提高探测距离是较为理想的选择，陈列天线的关键技术——功分器的研究就相当重要。

无线电发射设备中，为了保证足够远传输距离，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，即产生功率分配器。

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。

1.4功分器的分类

功分器从结构上分为两大类：

（1）无源功分器，它的主要特点是：

工作稳定，结构简单，基本上无噪声；而它的主要缺点是接入损耗太大。

（2）有源功分器，由放大器组成，它的主要特点是：

有增益，隔离度较高，而它的主要缺点是有噪声，结构相对复杂一些，工作稳定性相对较差。

功分器输出的端口有二功分，三功分，四功分，六功分，八功分，十二功分。

几种常见的微带功分器。

（1）微带分支线定向耦合器。

微带分支线定向耦合器由两根平行导带组成，通过两条分支导带实现耦合，分支导带的长度及其间隔均为四分之一线上波长。

理想情况下端口1输入无反射，输入的功率由2、3端口输出，端口4无输出，即1、4端口相互隔离。

由微波理论中的奇偶模分析法可以计算出，对于功率平分的情况，分支导带的特性阻抗与输入输出线相同，而平行导带的特性阻抗为输入输出线的12，与有π2的相位差。

微带分支线电桥主要用作微带平衡混频器，由于端口1和4相互隔离，故本振和信号互不影响，同时由微带线的平面特性，混频晶体很容易连接在端口上，电路结构既简单又紧凑。

（2）Wilkinson功分器。

Wilkinson功分器的输入线和输出线的特性阻抗都是。

对于功率平分的情况，输入和输出口间的分支线特性阻抗=，线长为四分之一线上波长，在分支线末端跨接一个电阻R，其值为2。

由微波理论可以证明，这种功分器当2、3口接匹配负载时，1口的输入无反射，反过来对2、3口也如此。

由端口1输入的功率被平分到端口2和3，且2、3端口间相互隔离。

（3）双线二分器。

双线二分器的结构很简单，而且能够根据给定的输入阻抗灵活地调整分支线的特性阻抗以达到良好的匹配，因此在天线的馈电网络设计中得到了广泛应用，但它的缺点在于输出端之间没有很好的隔离。

1.5本次设计的主要工作

本文主要讨论关于等功分威尔金森功分器的设计和仿真过程，具体工作包括以下几个部分：

（1）查阅相关文献、书籍，了解功分器的基本原理；

（2）确定所设计的功分器的性能指标；

（3）参数计算；

（4）利用ADS软件绘制出原理图；

（5）仿真优化并生成版图。

2功分器的技术基础

2.1微波理论基础

2.1.1微带线的概念

一般的传输线由两个或两个以上的导体组成，用来传输横电磁波（TEM波），常见的传输线有双线、同轴线、带状线和微带线等。

其中，微带线是最普遍使用的平面传输线之一，微带线可以用光刻工艺制作，并且易于与其他无源和有源器件集成，因此被广泛应用于印刷电路板中。

微带线是由支在介质基片上的单一导体带构成的微波传输线，适合制作微波集成电路的平面结构传输线。

与金属波导相比，其体积小、重量轻、使用频带宽、可靠性高和制造成本低等；但损耗稍大，功率容量小。

60年代前期，由于微波低损耗介质材料和微波半导体器件的发展，形成了微波集成电路，使微带线得到广泛应用，相继出现了各种类型的微带线。

一般用薄膜工艺制造。

介质基片选用介电常数高、微波损耗低的材料。

导体应具有导电率高、稳定性好、与基片的粘附性强等特点。

微带线是一根带状导（信号线），与地平面之间用一种电介质隔离开。

印制导线的厚度、宽度、印制导线与地层的距离以及电介质的介电常数决定了微带线的特性阻抗。

如果线的厚度、宽度以及与地平面之间的距离是可控制的，则它的特性阻抗也是可以控制的。

单位长度微带线的传输延迟时间，仅仅取决于介电常数而与线的宽度或间隔无关。

2.1.2微带线的基本设置参数

微带线的主要主要参数包括以下几种。

（1）微带线介质基片厚度H；

（2）微带线介质基片的相对介电常数Er；

（3）微带线质基片的相对磁导率Mur；

（4）微带线金属片的电导率Cond；

（5）微带电路的封装高度Hu；

（6）微带线金属片的厚度T；

（7）微带线的损耗角正切Tand；

（8）微带线的表面粗糙度Roungh；

（9）微带线宽度W；

（10）微带线长度L；

2.1.3微波网络法

微波网络法被广泛运用于微波系统的分析，是一种等效电路法，在分析场分布的基础上，用路的方法将微波元件等效为电抗或电阻器件，将实际的导波传输系统等效为传输线，从而将实际的微波系统简化为微波网络，把场的问题转化为路的问题来解决。

微波网络理论是在低频网络理论的基础上发展起来的，低频电路分析是微波电路分析的一个特殊情况。

一般地，对于一个网络有Y、Z和S参数可用来测量和分析，Y称为导纳参数，Z称为阻抗参数，S称为散射参数；前两个参数主要用于集总电路，Z和Y参数对于集总参数电路分析非常有效，各参数可以很方便的测试；但是在微波系统中，由于确定非TEM波电压、电流非常困难，而且在微波频率测量电压和电流也存在实际困难。

因此，在处理高频网络时，等效电压和电流以及有关的阻抗和导纳参数变得较抽象。

与直接测量入射、反射及传输波概念更加一致的表示是散射参数，即S参数矩阵，它更适合于分布参数电路。

S参数就是建立在入射波、反射波关系基础上的网络参数，适于微波电路分析，以器件端口的反射信号以及从该端口传向另一端口的信号来描述电路网络。

同N端口网络的阻抗和导纳矩阵那样，用散射矩阵亦能对N端口网络进行完善的描述。

阻抗和导纳矩阵反映了端口的总电压和电流的关系，而散射矩阵是反映端口的入射电压波和反射电压波的关系。

散射参量可以直接用网络分析仪测量得到，可以用网络分析技术来计算。

只要知道网络的散射参量，就可以将它变换成其它矩阵参量。

S参数是微波传输中的一个重要参数。

S12为反向传输系数，也就是隔离。

S21为正向传输系数，也就是增益。

S11为输入反射系数，也就是输入回波损耗，S22为输出反射系数，也就是输出回波损耗。

S参数就是建立在入射波、反射波关系基础上的网络参数，适于微波电路分析，以器件端口的反射信号以及从该端口传向另一端口的信号来描述电路网络。

各参数的物理含义和特殊网络的特性如下：

：

端口2接匹配负载时，端口1的反射系数；

：

端口1接匹配负载时，端口2的反射系数；

：

端口1接匹配负载时，端口2到端口1的反向传输系数；

：

端口2接匹配负载时，端口1到端口2的正向传输系数。

对于互易网络，有：

；

对于对称网络，有：

；

对于无耗网络，有：

2.1.4四分之一波长阻抗变换

阻抗匹配的方法是在负载与传输线之间接入匹配器，使其输入阻抗作为等效负载与传输线的特性阻抗相等。

4阻抗变换器是特征阻抗通常与主传输线不同，长度为4的传输线段，它可以用于负载阻抗或信号源内阻与传输线的匹配，以保证最大功率的传输。

在传输线与非匹配负载（）之间串联接入一段长度为，特性阻抗为的传输线，就能实现匹配，经过特性阻抗的线段变换后的输入阻抗则为

（2.1.3-1）

如果要求，则必须在负载（）与传输线（）之间串一段传输长度和特性阻抗满足

（2.1.3-2）

也就是说，，则新负载与传输线匹配，即。

2.2功分器的原理

二功分器是个三端口电路结构（3Portnetwork），其输出端口之间的相移为零。

这种三端口装置是可逆的，它既能以功率分配的形式又能以功率合成的形式应用。

其信号输入端的输入功率为，而其它两个输出端的输出功率分别为及。

由能量守恒定律可知。

若，则三端口功率间的关系为

。

并不一定要等于，只是相等的情况下最常使用在电路中，因此，功率分配器大致可分为等分型及比例型两种类型。

功分器是一种功率分配元件，它是将输入功率分成相等或不相等的几路功率，当然也可以将几路功率合成，而成为功率合成元件。

在电路中常用到微带功分器，其基本原理和设计公式如下：

图2-1二路功分器原理图

图2-1是二路功分器的原理图。

图中输入线的特性组抗为，两路分支线的特性阻抗分别为和，线长为,为中心频率时的带内波长。

图中，为负载阻抗，为隔离阻抗。

功分器各个端口特性如下：

端口1无反射；

端口2和端口3输出电压相等且同相；

端口2、端口3输出功率之比为任意定值。

由这些条件就可以确定，及，值。

设2口、3口的输出功率分别为、，对应的电压为、，根据对功分器的要求，则有

（2.2-1）

（2.2-2）

式中k为比例系数。

为了使在正常工作时，隔离电阻R上不流过电流，则应

（2.2-3）

于是得

（2.2-4）

设

（2.2-5）

则

（2.2-6）

由条件端口1无反射，即要求由与并联而成的总输入阻抗等于，则有

（2.2-7）

由四分之一波长阻抗变换理论得

（2.2-8）

联立（2.2-5）和（2.2-6）式，可得

2.2-9）

（2.2-10）

由于和等幅且同相，故在端口“2”，“3”间跨接一电阻并不影响功分器的性能。

但当“2”，“3”两端口外接负载不等于，时，来自负载的反射功率便分别由“2”，“3”两端口输入，此时该三端口网络变为一功率合成器。

为使“2”，“3”端口彼此隔离，须在期间加一吸收电阻R起隔离作用。

隔离电阻的值为

（2.2-11）

当k=1时，上面的结果化为等功率分配情况，此时。

可以看出，输出线阻抗和匹配的，而不与阻抗匹配。

2.3功分器的技术指标

功分器的技术指标包括 频率范围、输入端口的回波损耗、输入输出间的插入损耗、支路端口间的隔离度、承受功率、每个端口的电压驻波比等。

（1）频率范围。

这是各种射频微波电路的工作前提，功分器的设计结构与工作频率密切相关。

必须首先明确分配器的工作频率，才能进行下面的设计 。

（2）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Pr和输入功率Pi之比来计算:

（2.3-1）

（3）插入损耗。

输入输出间的插入损耗是由于传输线（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。

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：

（2.3-2）

（2.3-3）

（4）隔离度。

支路端口间的隔离度是功分器的另一个重要指标。

如果从每个支路端口输入功率只能从主路端口输出，而不应该从其他支路输出，这就要求支路之间有足够的隔离度。

 输出端口2和输出端口3间的隔离度根据输出端口2的输出功率和输出端口3的输出功率之比来计算：

（2.3-4）

（5）承受功率。

在大功分器合成器中，电路元件所能承受的最大功率是核心指标，它决定了采用什么形式的传输线才能实现设计任务。

一般地，传输线承受功率由小到大的次序是微带线、带状线、同轴线、空气带状线、空气同轴线，要根据设计任务来选择用何种线。

　　（6）驻波比。

每个端口的电压驻波比越小越好。

功分比，当其他端口无反射时，功分比根据输出端口3的输出功率P3和输出端口2的输出功率P2之比算：

（2.3-5）

3ADS软件介绍

ADS（AdvancedDesignSystem）是由美国安捷伦公司开发，是现今射频和微波电路设计领域的首选工业级软件。

ADS是当今业界最流行的微波射频电路、通信系统和RFIC设计软件，也是国内高校、科研所和大型IT公司使用做多的软件之一，其功能强大，仿真手段丰富，可实现包括时域与频域、数字与模拟、线性与非线性、噪声等多种仿真功能，并可对设计结果进行成品率分析与优化，提高复杂电路的设计效率，是优秀的微波射频电路、系统信号链路的设计工具，是射频工程师必备的工具软件之一。

下面来对ADS的仿真设计方法、ADS的辅助设计功能、以及ADS与其他EDA设计软件和测量硬件的连接作个详细的介绍。

3.1ADS的仿真设计方法

   ADS软件可以提供电路设计者进行模拟、射频与微波等电路和通信系统设计，其提供的仿真分析方法大致可以分为：

时域仿真、频域仿真、系统仿真和电磁仿真。

3.1.1高频SPICE分析和卷积分析（Convolution）

高频SPICE分析方法提供如SPICE仿真器般的瞬态分析，可分析线性与非线性电路的瞬态效应。

在SPICE仿真器中，无法直接使用的频域分析模型，如微带线带状线等，可于高频SPICE仿真器中直接使用，因为在仿真时可于高频SPICE仿真器会将频域分析模型进行拉式变换后进行瞬态分析，而不需要使用者将该模型转化为等效RLC电路。

因此高频SPICE除了可以做低频电路的瞬态分析，也可以分析高频电路的瞬态响应。

此外高频SPICE也提供瞬态噪声分析的功能，可以用来仿真电路的瞬态噪声，如振荡器或锁相环的jitter。

卷积分析方法为架构在SPICE高频仿真器上的高级时域分析方法，藉由卷积分析可以更加准确的用时域的方法分析于频率相关的元件，如雨以S参数定义的元件、传输线、微带线等。

3.1.2线性分析

线性分析为频域的电路仿真分析方法，可以将线性或非线性的射频与微波电路做线性分析。

当进行线性分析时，软件会先针对电路中每个元件计算所需的线性参数，如S、Z、Y和H参数、电路阻抗、噪声、反射系数、稳定系数、增益或损耗等（若为非线性元件则计算其工作点之线性参数），在进行整个电路的分析、仿真。

3.1.3谐波平衡分析（HarmonicBalance）

谐波平衡分析提供频域、稳态、大信号的电路分析仿真方法，可以用来分析具有多频输入信号的非线性电路，得到非线性的电路响应，如噪声、功率压缩点、谐波失真等。

与时域的SPICE仿真分析相比较，谐波平衡对于非线性的电路分析，可以提供一个比较快速有效的分析方法。

谐波平衡分析方法的出现填补了SPICE的瞬态响应分析与线性S参数分析对具有多频输入信号的非线性电路仿真上的不足。

尤其在现今的高频通信系统中，大多包含了混频电路结构，使得谐波平衡分析方法的使用更加频繁，也越趋重要。

另外针对高度非线性电路，如锁相环中的分频器，ADS也提供了瞬态辅助谐波平衡（Trans