詳解功率分配器設(shè)計(jì)與仿真

功分器全稱功率分配器，英文名Power divider，是一種將一路輸入信號(hào)能量分成兩路或多路輸出相等或不相等能量的器件，也可反過來將多路信號(hào)能量合成一路輸出，此時(shí)可也稱為合路器。一個(gè)功分器的輸出端口之間應(yīng)保證一定的隔離度。功分器的主要技術(shù)參數(shù)有功率損耗（包括插入損耗、分配損耗和反射損耗）、各端口的電壓駐波比，功率分配端口間的隔離度、功率容量和頻帶寬度等。

二、設(shè)計(jì)目的和意義

三、設(shè)計(jì)原理

功分器全稱功率分配器，是一種將一路輸入信號(hào)能量分成兩路或多路輸出相等或不相等能量的器件，也可反過來將多路信號(hào)能量合成一路輸出，此時(shí)可也稱為合路器。一個(gè)功分器的輸出端口之間應(yīng)保證一定的隔離度。功分器的主要技術(shù)參數(shù)有功率損耗（包括插入損耗、分配損耗和反射損耗）、各端口的電壓駐波比，功率分配端口間的隔離度、功率容量和頻帶寬度等。

功分器也叫過流分配器，分有源，無(wú)源兩種，可平均分配一路信號(hào)變?yōu)閹茁份敵?，一般每分一路都有幾dB的衰減，信號(hào)頻率不同，分配器不同衰減也不同，為了補(bǔ)償衰減，在其中加了放大器后做出了無(wú)源功分器。

功分器的功能是將一路輸入的衛(wèi)星中頻信號(hào)均等的分成幾路輸出，通常有二功分、四功分、六功分等等。功分器的工作頻率是950MHz－2150MHz，衛(wèi)視燒友想必對(duì)功分器是再熟悉不過了。以上三個(gè)器件的用途和性能是完全不同的，但在日常使用中往往容易把名稱混淆了，使得人們?cè)谑褂弥腥菀桩a(chǎn)生困惑.*接收系統(tǒng)中的多臺(tái)衛(wèi)星接收機(jī)，共用一面天線，幾面天線共用一臺(tái)衛(wèi)星接收機(jī)，以及兩臺(tái)以上衛(wèi)星接收機(jī)和兩面以上天線共用，它們之間的連接除了依靠電纜之外，主要是靠切換器的組合編程來實(shí)現(xiàn)的。

功分器是接多個(gè)衛(wèi)星接收機(jī)用的。如果一套天線要接多個(gè)衛(wèi)星接收機(jī)就要用功分器。根據(jù)所接接收機(jī)的多少選用功分器。如果接兩接收機(jī)就用二功分器。接四接收機(jī)就用四功分器。

功率分配器可以采用定向耦合器和分路器兩種方法實(shí)現(xiàn)。但定向耦合器的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，其功率分配的比值又往往與頻率有關(guān)，無(wú)法滿足寬帶功率分配的要求。因此，在寬帶電路中，往往采用結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)較容易，且?guī)捰州^寬的分路器來實(shí)現(xiàn)功率分配的功能。本次設(shè)計(jì)就是采用分路器的方法，一路輸入分為兩路輸出。和其他微帶電路元件一樣，分路器也有一定的頻率響應(yīng)特性。當(dāng)頻帶邊緣頻率之比f(wàn)2/f1=1.44時(shí)，輸入駐波比?《1.22，能基本滿足輸出兩口隔離度》20dB的指標(biāo)要求。但當(dāng)=2時(shí)，其各部分的指標(biāo)開始下降，隔離度只有14.7dB，輸入駐波比也達(dá)到1.42.。為了進(jìn)一步加寬工作帶寬，可以用多節(jié)的寬頻帶分功率分配器，即和其他一些寬頻帶器件一樣，可以增加節(jié)數(shù)，即增加#g/4線段和相應(yīng)的隔離電阻R的數(shù)目。分析結(jié)果表明，即使節(jié)數(shù)增加不多，各指標(biāo)會(huì)有較大的改善，工作頻帶也有較大的展寬。例如，當(dāng)n=2，即二節(jié)的二等分分功率器，當(dāng)f2/f1=2時(shí)，駐波比?《1.11，隔離度》27dB。當(dāng)n=4，f2/f1=4時(shí)，駐波比?《1.10，隔離度》26dB。f2/f1=10時(shí)，駐波比?《1.21，隔離度》19dB。N節(jié)寬頻帶二等分功分器的一般形式，如圖2所示。因?yàn)槭嵌确?，所以上、下兩部分的電路參量相等，因此用奇、偶模分析法很方便?/p>

功分器的技術(shù)指標(biāo)包括頻率范圍、承受功率、主路到支路的分配損耗、輸入輸出間的插入損耗、支路端口間的隔離度、每個(gè)端口的電壓駐波比等。

1、頻率范圍。這是各種射頻/微波電路的工作前提，功分器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與工作頻率密切相關(guān)。必須首先明確分配器的工作頻率，才能進(jìn)行下面的設(shè)計(jì)

2、承受功率。在大功分器/合成器中，電路元件所能承受的最大功率是核心指標(biāo)，它決定了采用什么形式的傳輸線才能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)任務(wù)。一般地，傳輸線承受功率由小到大的次序是微帶線、帶狀線、同軸線、空氣帶狀線、空氣同軸線，要根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)來選擇用何種線。

3、分配損耗。主路到支路的分配損耗實(shí)質(zhì)上與功分器的功率分配比有關(guān)。如兩等分功分器的分配損耗是3dB，四等分功分器的分配損耗是6dB。理想分配損耗（dB）=10Log（1/N）N為功分器路數(shù)

4、插入損耗。輸入輸出間的插入損耗是由于傳輸線（如微帶線）的介質(zhì)或?qū)w不理想等因素，考慮輸入端的駐波比所帶來的損耗。

5、隔離度。支路端口間的隔離度是功分器的另一個(gè)重要指標(biāo)。如果從每個(gè)支路端口輸入功率只能從主路端口輸出，而不應(yīng)該從其他支路輸出，這就要求支路之間有足夠的隔離度。

6、駐波比。每個(gè)端口的電壓駐波比越小越好。

四、詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟

設(shè)計(jì)原理：

傳輸線結(jié)構(gòu)的功率分配器［如圖1（a）所示，輸入端口特性阻抗為Z0，兩段分支微帶線電長(zhǎng)度為/4，特性阻抗特性阻抗為Z0，兩段分支微帶線電長(zhǎng)度為/4，特性阻抗分別為Z02和Z03，終端分別接負(fù)載R2和R3。

首先做以下3條假設(shè)：

（1）Port1無(wú)反射

（2）Port2，3輸出電壓相等且同相;

（3）Port2，3輸出功率比值為任意指定值1/k2。

根據(jù)上面3條可得：

由傳輸線理論有：

設(shè)R2=kZ0，則Z02，Z03，R3的計(jì)算公式為：

取k=1，即得到3dB Wilkinson功分器的各參數(shù)值為：R2=R3=Z0，Z02=Z03=2Z0，為了增加隔離度在Port2，3之間添加了一個(gè)電阻R=2Z0，其結(jié)構(gòu)如圖1（b）

所示。通過上述分析得到3dB Wilkinson功分器的所有元件的參數(shù)值，接著就可以進(jìn)行設(shè)計(jì)了。

2、Wilkinson功分器的設(shè)計(jì)

本文使用Agilent公司的ADS軟件進(jìn)行功分器的設(shè)計(jì)、仿真和優(yōu)化獲得參數(shù)性能較好的尺寸結(jié)構(gòu)，通過Protel軟件畫出PCB圖并制作實(shí)驗(yàn)板用于測(cè)試，最后制作的功分器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1、傳輸線結(jié)構(gòu)的功分器

圖2、功分器結(jié)構(gòu)

（1）、Wilkinson功分器的指標(biāo)參數(shù)：

描述3dB Wilkinson功分器的關(guān)鍵指標(biāo)有3個(gè)

（1）Port1的回波損耗：

RL1=-20log|S11|

（2）Port1和Port2之間的耦合度：

CP12=-20log|S21|

（3）Port2和Port3之間的隔離度：

IL23=-20log|S23|

由對(duì)稱關(guān)系可知，端口1，3間的耦合度等于端口1，2間的耦合度。在理想情況下，中心頻率處的回波損耗和隔離度應(yīng)該接近負(fù)無(wú)窮大，耦合度應(yīng)該盡量接近3dB。本文設(shè)計(jì)的功分器工作在0.9~1.1GHz頻段，中心頻率1.0GHz，采用雙面敷銅的FR-4介質(zhì)板，相對(duì)介電常數(shù)r=4.3，厚度h=1.5mm，要求通帶內(nèi)各端口反射系數(shù)小于-20dB，端口2和端口3之間的隔離度小于-20dB，端口1和端口2之間的耦合度小于3.5dB。

（2）、Wilkinson功分器的仿真與優(yōu)化

根據(jù)文獻(xiàn)［3］中傳輸線特性阻抗計(jì)算方法，可以得到特性阻抗為Z0=50的傳輸線寬度W13mm，Z02=Z03=70.7的傳輸線寬度W21.52mm，1/4的70.7傳輸線長(zhǎng)度L41.28mm。得到上面這些初始值后就可以開始進(jìn)行下一步的軟件仿真，在ADS的軟件環(huán)境中選取各種需要的微帶線工具，根據(jù)上面獲得的數(shù)據(jù)設(shè)置好各個(gè)元件的初值。將1/4的傳輸線長(zhǎng)度L和他的寬度W2設(shè)置為變量，將S11，S21，S23作為優(yōu)化指標(biāo)，然后不斷進(jìn)行迭代運(yùn)算和優(yōu)化，最后得到W2=1.8mm，L=42.35mm，仿真得到S11，S21，S23的值分別如圖3中的實(shí)線所示。

圖3、仿真圖

（3）、測(cè)試結(jié)果

功分器各性能指標(biāo)的測(cè)量采用Agilent公司的E5071B網(wǎng)絡(luò)分析儀，測(cè)試時(shí)3個(gè)端口的其中之一接50匹配負(fù)載，S11，S21，S23的測(cè)試值與仿真值的比較如圖3所示，從測(cè)試結(jié)果可見，中心頻率有很小的偏移，S21產(chǎn)生一定誤差，這是由于實(shí)驗(yàn)采用的雙面敷銅介質(zhì)板本身功率損fr-4耗較大且實(shí)際介電常數(shù)有偏差的原因。其余各指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，且測(cè)試與仿真值整體上吻合較好。

五、設(shè)計(jì)結(jié)果和分析

威爾金森設(shè)計(jì)向?qū)參數(shù)：

優(yōu)化后的S參數(shù)：

Ads設(shè)計(jì)向?qū)гO(shè)計(jì)不等分功分器原理圖：

微帶功分器原理圖：

設(shè)計(jì)微帶功分器的原理圖的S參數(shù)：

六、總結(jié)

實(shí)際應(yīng)用中，常需要將某一輸出功率按一定的比例分配到各分支電路中，例如：在相控雷達(dá)系統(tǒng)中，要將發(fā)射機(jī)功率分配到各個(gè)發(fā)射單元中去;在GSM通信系統(tǒng)中，從鎖相環(huán)到接收、發(fā)射端，都需要用到功率分配器;RFID電路中，也需要將特定的功率均等地分配到不同的端口去;在微波毫米波系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用功率分配器將輸入功率分配到各個(gè)支路中，功分器作為一種低耗的無(wú)源器件已經(jīng)必不可少。將探討在射頻帶上實(shí)現(xiàn)等比功分器的方法，并用ADS軟件來實(shí)現(xiàn)微帶線形式功分器的設(shè)計(jì)和仿真。

七、體會(huì)

對(duì)于微帶功率分配器我們常用的是功率等分的功率分配器，有很多軟件對(duì)于功率分配器的仿真都是可以的，常用的有ESSOF，ADS，Microwave Office等，由于軟件仿真的結(jié)果是理想化的，所以插入損耗與實(shí)際的差別由于電阻接頭等引的誤差是不可避免的，一般情況是由實(shí)際材料等決定的。而對(duì)于各個(gè)端口的回波損耗及隔離度，ESSOF，Microwave Office的仿真結(jié)果很接近，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較而言，一般仿真結(jié)果需要達(dá)到28dB實(shí)驗(yàn)出來的才能達(dá)到21dB，但仿真結(jié)果超過28dB后實(shí)驗(yàn)的結(jié)果變化并不大，這可能與電纜、接頭等的回波損耗有關(guān)系的。如果采用的是ADS，由于建模更接近真實(shí)，考慮到拐角等，一般情況下回波損耗及隔離度仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差3~4dB左右，也就是說仿真是24dB而實(shí)際只能做到21dB。

以上只是根據(jù)一些實(shí)驗(yàn)情況總結(jié)出來的，而實(shí)際設(shè)計(jì)過程中要考慮到加工誤差、材料誤差等各種情況，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行分析。

八、參考文獻(xiàn)

［1］Reinhold Ludwig，Pavel Bretchko.射頻電路設(shè)計(jì)應(yīng)用［M］。王子宇，譯。北京：電子工業(yè)出版社，2002.

［2］劉學(xué)觀，郭輝萍。微波技術(shù)與天線［M］。西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2004.

［3］Kai Chang. RF and Microwave Wireless Systems［M］.John.wiley & Sons，Inc，2000.