摘 要

本文介绍了由微带线构成的二等分威尔金森功率分配器的基本原理知识和ADS设计仿真及实物制作的实现过程。功分器是一个能够将一路输入功率按比例分配多路输出的一个微波设备，在微波系统中被广泛的使用。因此研究如何提高功分器的工作性能对微波通信系统具有很大的现实意义。

本文主要介绍了一个L波段二等分微带功分器的ADS设计和仿真过程，并且做出实物，获取功分器实物的测试数据。所设计的微带功分器是基于传统的威尔金森功分器设计的，希望在L波段内拥有良好的宽频带工作性能，因此在单节的威尔金森功分器的基础上增加了一节阻抗变换器来实现功分器的宽频带工作。由仿真结果表明，该功分器的传输损耗小于3.1 dB，在L波段工作隔离度均优于25 dB，各个端口的反射系数均小于-20dB。由最终的测试结果表明，端口1反射系数S₁₁在整个频带内大于15dB，分配损耗S₂₁在3dB到4dB之间，2、3端口反射系数S₂₂均大于17dB，隔离度S₂₃均大于15dB。

关键词：威尔金森功分器；多节阻抗变换器；四分之一波长；S参数；ADS版图仿真

Abstract

This paper introduces the basic principle knowledge of the halving Wilkinson power divider composed of microstrip lines and the realization process of ADS design simulation and physical production. The power divider is a microwave device that can distribute the input power in proportion to multiple outputs and is widely used in microwave systems. Therefore, how to improve the performance of the power divider has great practical significance for microwave communication systems.

This article mainly introduces the ADS design and simulation process of an L-band bisection microstrip power divider, and makes a physical object to obtain the test data of the power divider physical object. The designed microstrip power divider is designed based on the traditional Wilkinson power divider and hopes to have good broadband operating performance in the L-band. Therefore, a single-section Wilkinson power divider has been added. An impedance transformer is used to implement the broadband operation of the power divider. The simulation results show that the transmission loss of the power divider is less than 3.1 dB, the working isolation in the L-band is better than 25 dB, and the reflection coefficient of each port is less than -20 dB. The final test results show that port 1 reflection coefficient S₁₁ is greater than 15 dB in the entire frequency band, distribution loss S₂₁ is between 3 dB and 4 dB, port 2 reflection coefficients S₂₂ are all greater than 17 dB, and isolation S₂₃ is greater than 15 dB.

Key Words: Wilkinson power divider; multi-section impedance transformer; quarter-wavelength; S-parameter; ADS layout simulation

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究的背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 本文的主要内容 3

第2章 威尔金森功分器的基本理论分析 4

2.1 威尔金森功分器的结构及原理 4

2.1.1 四分之一波长输出臂特性阻抗及2、3端口入端阻抗的计算 5

2.1.2 功分器隔离电阻的阻值计算 6

2.2 本章小结 9

第3章 传统威尔金森功分器的ADS设计和实现 11

3.1 设计工作流程 11

3.2 技术方案 11

3.2.1 功分器设计指标 12

3.2.2 功分器设计参数数值的设置 12

3.2.3 微带线线宽与四分之一线长的确定 13

3.3 传统威尔金森二等分功分器的原理图设计 14

3.4 传统威尔金森二等分功分器版图的生成和仿真 17

3.4.1 传统威尔金森二等分功分器版图的生成 17

3.4.2 传统威尔金森二等分功分器版图的仿真 18

3.5 传统威尔金森功分器实物的制作 19

3.6 功分器实物的测试 20

3.6.1 实物S参数的测量过程 20

3.6.2 实物的S参数测试结果 22

3.7 本章小结 22

第4章 改进型宽频带等分功分器基本理论分析 24

4.1 四分之一波长多节变阻器 24

4.2 多节四分之一波长变阻器的宽频带等分功分器 25

4.2.1 多节宽频带等分分功率器的奇偶模分析 25

4.2.2 二节宽频带等分功分器的隔离电阻阻值的计算 28

4.3 本章小结 30

第5章 改进型宽频带等分功分器的ADS设计和实现 31

5.1 确定L波段改进型宽频带等分功分器的设计参数 31

5.2 改进型宽频带等分功分器电路原理图的设计 31

5.3 改进型宽频带等分功分器的版图的生成 33

5.4 改进型宽频带等分功分器的版图的仿真 34

5.5 改进型宽频带功分器实物的制作和测试 35

5.6 本章小结 37

第6章 结论 38

参考文献 39

致 谢 41

第1章 绪论

1.1 研究的背景及意义

功分器是一个能够将一路输入功率按比例分配多路输出的一个微波设备，也可以将多路功率合成一路并输出，此时也可以将功分器称为合路器，其主要类型有波导功分器、带状线功分器、微带线波导腔混合功分器以及微带线功分器等等^[1]。在微波设备中，常常需要将某一个输入信号的功率按一定的比例分配到各分支路中，从而可以根据各支路的信号进行传输和分析，也通常要将各个支路的信号进行合成输出，这些都需要功分器来实现，因此功分器是一个微波通信系统中不可或缺的器件。

功分器研究的主要目的是为了如何更好的在微波系统中能够更好的实现通信过程的信号传输达到高质量的通信，从而减少信号传输的损耗。目前的随着通信技术的不断发展，所要求处理的信号频带也越来越宽，功分器的高性能研究也成为了一个较为复杂的课题。

在目前的现在通信系统中，手机移动通信，卫星通信以及雷达天线系统发展趋势愈演愈烈，微波射频电子设备的发展备受关注，微波技术的发展也成为了当今世界发展的前沿研究。在微波通信系统中，功分器是微波电路最基本的组成部分之一，原来的功分器设备体积很大，但是由于那时的微波设备集成度不是很高，因此对功分器的尺寸没有过高的要求。但是随着微波通信设备的小型化发展，集成度也越来越高，往往要求微波设备不断的实现紧凑型和小型化，在保持微波设备的良好工作性能下，如何研究功分器的更高性能和小型化具有很大的现实意义，也是微波通信系统实现向更宽频带、更高工作性能研究的一个重要基石。

1.2 国内外研究现状

自从微波技术应用以后以来，功分器的研究也就一直在不断的发展改进。从近两年发表的功分器文章来看，多数功分器的研究不断侧重于高性能、宽频带和小型化的研究。而性能越高的功分器往往电路更加复杂，而导致了电路的面积也随之增加，因此如何在实现功分器高性能宽频带应用的同时兼顾着小型化是功分器研究的重点问题。

2009年，Karun Rawat设计了一个小型单频和双频双向微带型功分器，这种小型化是通过使用慢波结构实现功率分配器的阻抗变压器来实现的，这些慢波结构是通过周期性地加载电容传输线来设计的，这降低了传播波的相速度，并因此使用较小的物理长度产生更高的电长度，从而实现了功分器的小型化^[2]。

2017年，Basem dM.Abelrahman等人提出了一种新颖、简单的设计任意三波段威尔金森功分器，同样采用慢波结构使常规功分器的臂小型化，并且基于在工作频率下四分之一波长开路短截的使用，将其放置在功率分配器50欧姆输出传输线的适当的位置，创建目标的三波段响应，实现小型化三频段的功分器的设计^[3]。U.Ahmed和A.Abbosh提出了一种能在100%分数带宽上作为同相和反相功分器的新结构，所提出的结构采用两对平行耦合线路，使完成从同相转换为不同相的操作，同时改善了传统威尔金森功分器的回波损耗和隔离度，该装置包括用于输入端口阻抗匹配的阶梯阻抗T结，将一对耦合线的两个终端的状态从开放端改为短端，可以实现从同相到反相的操作，在耦合线路之间使用芯片电容可以实现所需的紧密耦合，实现了功分器宽带操作的双向同相和反相^[4]。

同年，魏旭等人考虑到波导型功分器体积大相对带宽窄的缺点以及微带线功分器损耗大误差大功率容量小的缺点，利用开路线与电阻埋置理论和空腔谐振模式抑制技术，设计了一个K频段微带线波导腔混合型功分器，并且使该功分器同时具有微带线波导型功分器两者的优点^[5]。Zheng Zhuang、Yongle Wu等人提出了一种新颖简单的双带异步平衡单端（BTSE）功率分配器，由带短路短截线的嵌入式Π型网络实现双频带波响应，从而提高了功分器的工作带宽并且使功分器具有滤波响应^[6]。Mahdi Moradian提出了一个紧凑的同相功分器， 所提出的功率分配器由三个金属层和两个介电层组成，电磁能量从位于结构顶层上的矩形贴片耦合到位于结构底层上的两个半矩形贴片，该贴片通过切入公共接地平面的矩形槽而被放置在结构的底层上， 实现了一个带宽可以通过补丁之间的耦合值来控制的可调带同相宽功分器^[7]。张聚栋和刘景萍考虑到传统威尔金森功分器无法对谐波进行抑制，将威尔金森功分器的核心转换电路替换成具有带阻滤波性能的谐振环电路以实现在输入端口与带阻滤波器级联实现抑制二三次谐波^[8]。

2018年，尤清春等人为了拓展功分器传输模的主模带宽，在T 型结处使用标准单脊波导在容性金属平板相接构成一个宽带电抗性调谐元件设计了一个宽频带的单脊波导功分器^[9]。Gholamreza Karimi和Samira Menbari通过添加圆形片状谐振器以抑制较高的无用谐波并实现较宽的阻带带宽，并且添加具有电感特性的T形信号来抑制较低的不需要的谐波，并获得过渡频带的清晰度，实现了功分器的谐波抑制和宽频带的功能^[10]。Tiku Yu提出了一种设计所提出的节长型的多路功分器的方法，以实现具有最小所需总长度的目标带宽性能，所提出的多路功率分配器，包括具有柔性长度的传输线路和附加的匹配电容器，具有可调整的总长度，可根据将相应带宽映射到所选总长度的生成曲线图将其设置为最佳值，实现了功分器的四分之一波长臂的小型化^[11]。

从以上近几年所研究功分器的方向来看，来目前无论是国内还是国外都致力于高隔离、高分数宽带、低损耗、谐波抑制以及小型化的功分器研究，功分器的研究重点是采用慢波结构、谐振环结构、多节阻抗变换等来实现功分器的宽频带、谐波抑制、多波段应用和小型化的性能。并且越来越深入在微带传统威尔金森功分器的改良方面有了很大的突破，在传统威尔金森功分器的输出端添加短路短截线^[12]，增加开路短截线和平行耦合线路或在功率分配器的两个臂之间使用短截线的方法实现了宽带功分器，实现了多波段应用的新型多频功分器；通过在威尔金森功分器的基础上增加多节四分之一波长阻抗变换器，也证明了可以很好的展宽了功分器的工作频带，可以实现超宽频带功分器的应用；还通过一定的滤波器结构来实现谐波抑制。这些研究成果的提出，使得威尔金森功分器的发展百家争鸣，越来越深入也越来越成熟。

1.3 本文的主要内容

本文所研究的课题是L波段微带3dB功分器的设计与实现，使用基本的威尔金森功分器结构来实现L波段信号二等分的功率分配，获取设计方案的ADS的S参数仿真结果，同时根据设计方案来制作实物，获取实物的测试数据。论文的内容结构具体安排如下：

第一章 绪论。绪论里主要重点介绍了功分器的的基本定义和功能，介绍了目前研究功分器的研究背景和主要的研究内容和意义，同时阐述了当前功分器的一些现阶段的研究方向和成果，并简单的介绍了本文的具体结构安排。

第二章 威尔金森功分器的基本理论分析。这一章对传统威尔金森功分器的基本结构和原理进行了详细的介绍，以及传统威尔金森功分器的各个设计参数的分析计算。

第三章 传统威尔金森功分器的ADS设计和实现。这一章节主要讨论根据设计要求如何使用ADS设计一个传统威尔金森功分器的电路原理图，然后生成版图并且观察仿真数据，对得出的结果进行了分析和讨论，然后制作功分器实物，并获取实物数据。

第四章 改进型宽频带的功分器的的基本理论分析。首先介绍了多节四分之一波长变阻器的基本原理，然后根据四分之一波长变阻进行宽频带功分器的研究，进多节宽频带功分器进行了奇偶模分析，对改进型的威尔金森功分器设计参数进行了详细的分析计算。

第五章 改进型宽频带功分器的ADS设计和实现。同样使用ADS设计一个二节二等分宽频带功分器的设计电路，然后对仿真结果进行分析和讨论，然后制作功分器实物，并获取实物数据。

第六章 总结。对本文的工作做一个结论性总结，探讨了本文研究工作的不足之处。

第2章 威尔金森功分器的基本理论分析

2.1 威尔金森功分器的结构及原理

传统的威尔金森功率分配器的集总参数原理图结构如图2-1所示：

图2.1 两路微带威尔金森功分器结构示意图

由上图可以知道，两路威尔金森功分器由两个四分之一波长的输出臂、隔离电阻、输入传输线以及两根输出传输线组成。在两路微带线威尔金森功分器结构示意图中，是传输信号的波导波长，R是功分器的隔离电阻。为输入传输线的特性阻抗，、分别是端口2的四分之一波长输出臂和端口3的四分之一波长输出臂的特性阻抗。是端口的2的输入阻抗，是端口3的输入阻抗。

当输入功率信号传输到1号端口后，功率按功率比从2号端口和3号端口按分别输出。由于信号在传输过程中，2号端口和3号端口是等位点，因此电阻R上没有电流流过隔离电阻对功率分配没有作用。若2号端口或3号端口没有达到阻抗匹配时，则分别由分支叉口和电阻两路到达另一支路的反射功率电压等幅反相，因此将在另一支路点的反射功率抵消掉，从而确保了两个输出端口具有良好的隔离性能，实现将一路信号分成两路信号按比例分配输出的信号传输功能，同样的多路功分器也是如此。

当我们一个对信号进行传输时，输入传输线的特性阻抗和传输信号的波导波长应该可以被确定，此时和为已知量。而端口2和端口3的输入阻抗，可以由输入传输线和两个四分之一波长输出臂的特性阻抗来确定，因此我们只要将两个四分之一波长传输线的特性阻抗和隔离电阻的阻值计算出来，即可通过以上参数设计出一个二路威尔金森功分器。以下将对二路威尔金森功分器的设计参数、、、、以及隔离电阻阻值R的分析计算。

2.1.1 四分之一波长输出臂特性阻抗及2、3端口入端阻抗的计算

易知1号端口到2号端口和1号端口到3号端口的线长度均为四分之一波长，因此2、3点为等位点，即U₂=U₃。根据功率与输入阻抗的关系，则2号端口和3号端口的输出功率分别为

（2.1）

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