微带3dB功率分配器的设计毕业论文
微带3dB功率分配器的设计毕业论文
目录
第1章绪论 (1)
1．1论文研究的目的和意义 (1)
1．2 国内外研究现状和发展趋势 (1)
1．3本文研究的主要内容、目标与方法与内容安排 (3)
第2章微带线传输线 (4)
2．1 传输线理论 (4)
2．2 微带线 (6)
2．2．1 微带传输线 (6)
2．2．2 微带线基本设计参数及设计方法 (7)
2．3 微带线用于功率分配器 (7)
第3章功率分配器 (12)
3．1 功率分配器 (12)
3．1．1 功率分配器的基本概念 (12)
3．1．2 二分器的基本原理 (12)
3．1．3 功率分配器的分类 (12)
3．2 常用的功率分配元器件 (13)
3．2．1定向耦合器 (13)
3．2．2 功率分配器 (19)
3．2．3 波导分支器 (22)
3．3 功率分配器的选择原则 (24)
3．4 威尔金森功率分配器 (25)
3．4．1 基本原理 (25)
3．4．2 功分器的主要技术指标 (27)
第4章微带3dB功分器的设计与仿真 (29)
4．1 ADS软件介绍 (29)
4．2 电路的设计 (30)
4．2．1 设计步骤 (30)
4．2 电路的仿真 (34)
4．1．2 主要参数 (36)
4．4 电路版图的生成 (36)
结论 (40)
致谢 (41)
参考文献................................................................................................................. 错误！未定义书签。
第1章绪论
1．1论文研究的目的和意义
随着无线通信技术的快速发展,各种通讯系统的载频率不断提高,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。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[1 ] 的性能将影响整个系统的通讯质量。文献[ 2 ]介绍了各种主要形式的功分器,随着技术的进步,目前已有双频功分器问世,文献[3 ,4]中介绍了双频威尔金森功分器设计。本文介绍一种3 dB 威尔金森功分器,在进行原理推导的基础上说明其工作方式,接着利用ADS 软件设计并仿真,根据得到的数据制作实验板。
微带传输线是 20世纪 50 年代发展起来的一类微波传输线，具有小型、重量轻、频带宽、可集成化等优点，随着微波元件和系统的日益小型化和固态化，微带电路的应用也愈来愈广泛。微带传输线的传输特性与分析方法对新兴的毫米波传输线和光导纤维也有相似之处，可供借鉴。微带传输线的种类繁多，其基本结构形式可分为标准微带线（不对称微带线，简称微带）和带状线（对称微带线）
是由介质基片一边的导体带和基片另一边的接地板所构成，导体带用印制技术敷在介质基片上。常用的介质基片材料为 99% Al2O3瓷、石英或蓝宝石等低损耗介质。接地板是铜板或铝板，导体带常用金、银、铜等良导体做成。微带结构简单，体积小，重量轻，加工方便，又便于与微波固体器件接成一体，容易实现微波电路的小型化和集成化，在微波集成电路中获得了广泛的应用。
微带传输线广泛应用与各种电路系统中，随着微波通信的发展和射频技术的广泛应用，以及多信道传输的应用，为适应分支后传输信号，因此功率分配器在微波领域有了广泛的应用。将一路微波功率按一定比例分成n路输出的功率元件称为功率分配器。按输出功率比例不同, 可分为等功率分配器和不等功率分配器。在结构上, 大功率往往采用同轴线而中小功率常采用微带线。射频/微波技术中采用功率分配后再分别进行传输，然后合成一路信号，使传输更有效进行。而最简单的功率分配器是一分为二功率分配器。微带线3dB功率分配器为一分为二等分器，本设计针对微带功分器的实现电路和仿真进行详细讨论，并对其参数进行优化，使功分器达到更好的分配效果。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。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讯质量。随着技术的进步,目前已有双频功分器问世,文献[3 ,4]中介绍了双频威尔金森功率功分器设计。本论文介绍一种3 dB 威尔金森功率功分器,在进行原理推导的基础上说明其工作方式,接着利用ADS 软件设计并仿真,在根据要求对参数进行优化。最后根据得到的数据制作电路板。
1．2 国内外研究现状和发展趋势
微带传输线是20世纪50年代发展起来的一类微波传输线，具有小型、重量轻、频
带宽、可集成化等优点，随着微波元件和系统的日益小型化和固态化，微带电路的应用也愈来愈广泛。
1982年以来开展了超导微带线（Nb）的研究工作。在1986年，就有把时域有限差分法用于分析屏蔽微带线的色散特性，首先确定传输线的波导波长。也就是在传输线的两端加短路板所构成的谐振的长度的二倍，再搜索相应的各种模式的谐振频率。
在未来的微带线工程中，微波印制板电路是微波系统小型化的关键，目前微带线工程的发展趋势往下面几个方向发展。
（1）设计要求高精度。微波印制板的图形制造精度将会逐步提高，但受印制板制造工艺方法本身的限制，这种精度提高不可能是无限制的，到一定程度后会进入稳定阶段。而微波板设计内容将会有很大程度的丰富。
（2）实现计算机控制。传统的微波印制板生产中极少应用到计算机技术。但随着CAD技术在设计中的广泛应用，以及微波印制板的高精度、大批量，在微波印制板制造中大量应用计算机技术已成为必然的选择
（3）高精度图形制造。微波印制板的高精度图形制造，与传统的刚性印制板相比，向着更专业化方向发展，包括高精度摸板制造、高精度图形转移、高精度蚀刻等相关工序的生产及过程控制技术，还包括合理的制造工艺路线安排。
（4）表面镀覆多样化。随着微波印制板应用范围的扩大，其使用的环境条件也复杂化，但同时由于大量应用铝衬底基材，因而对微波印制板的表面镀覆及保护，在原有化学沉银及镀锡铈合金的基础上，提出了更高的要求。
（5）数控外形加工。微波印制板的外形加工，特别是带铝衬板的微波印制板的三维外形加工，是微波印制板批生产需要重点解决的一项技术。面对成千上万件的带有铝衬板的微波印制板，用传统的外形加工方法既不能保证制造精度和一致性，更无法保证生产周期，而必须采用先进的计算机控制数控加工技术。
（6）批生产检验。微波印制板与普通单双面板和多层板不同，不仅其者结构件、连接件的作用，更重要的是作为信号传输线的作用。这就是说，对高频信号和高速数字信号的传输用微波印制板的电气测试，不仅要测量线路（或网络）的“通断”和“短路”等是否符合要求，而且还应测量特性阻抗值是否在规定的合格范围内。
高精度微波印制板有大量的数据需要监狱，如图形精度、位置精度、重合精度、镀覆层厚度、外形三维尺寸精度等。现行方法基本是以人工目视检验为主，辅以一些简单的测量工具。这种原始而简单的检验方法很难应对大量拥有成百上千数据的微波印制板批生产要求，不仅检验周期长，而且错漏现象多，因而迫使铝衬板的微波印制板制造向着批生产检验设备化方向发展。
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讯质量。因此功率分配器在射频电路和测量系统中有着重要的意义，早在1981年美国ITT公司砷化镓技术中心折寿研制快带MMIC，后来由美国国防部高级研究计划局（ARPA）主持制定、于1987年启动并于1994年完成的MIMIC 计划的重要认为之一也是开发宽带MMIC，已有包括低噪声放大器等几十大类数千个型号的通用宽带MMIC芯片、组件、子系统直接应用于电子战系统，并显示了其优越性。由于1988年后生产的功分器基本上都能支持800-2500MHz段，因此功分器基本上可以利用现有设备，主要新增支持800-2500MHz段信号的滤波合路器。2000年，由于中四从5月10日起改为数字传送，遂改用数字接收机接收，但收不到数字信号，核对数字接收机中四的各项参数正确无误，怀疑接收机有问题，此事证明了功分器能传送模拟信号而不能传送数字信号。
在未来的发展中，大功率微波信号的传输越来越重要，而微带线在一定程度上不
能支持这种大功率的传输，因此功率分配器在微波信号的传输中用得越来越多。而未来的微波信号对频率的要求也逐渐提升，频带宽度也日渐加宽，高功率、宽频带的功率放大器将会有更多的研究前景。
1．3本文研究的主要内容、目标与方法与内容安排
本课题先对几种使用较多的3dB功率分配器进行描述，并结合本课题的要求选择一种适合的功率分配器;接着对选定的功率分配器进行原理性分析;最后利用ADS (Advanced Design System)仿真设计软件来进行功分器的仿真设计。
微波功率分配器通常采用的是T形接头或T形接头的变形。它的类型很多，有波导型、同轴线型、带状线型及微带线型等。波导或同轴线结构通常适用于大功率信号情况，而中小功率则采用带状线或微带线结构。在本课题中，考虑了电路性能以及整体的小型化和一体化，决定在功率分配网络的设计中采用微带线结构。影响功率分配网络效率的因素主要有两点:电路传输损耗，各路信号幅度和相位的一致性。为了提高功率分配器的效率，其应当具有低附加损耗、各输入端口的高隔离度、相等的输入/输出阻抗，以及输入/输出端的低电压驻波系数。
结合本设计，由于线性功放对上下两路信号的相位以及幅度的一致性要求比较高，因此在这里采用威尔金森(Wilkinson)结构的微带电路来设计本论文中的功率分配网络。而且，威尔金森(Wilkinson)结构的微带电路具有电路结构相对简单，尺寸小等优点。
第一章简述了本论文研究的目的和意义，概述了国内外研究现状和发展趋势，说明了发展二等分功率分配器的重要性。
第二章介绍了传输线理论并介绍了几种波型的传输用哪些传输线以及研究传输线的方法和注意的问题。再介绍了微带线传输线的发展、特点和微带线参数选择原则。最后介绍了微带线用于功率分配器的具体问题，从而提出了本设计所研究的功率分配器的选择。
第三章首先给出了功率分配器的概念的描述，介绍了几种功率分配器的分类方法，接着介绍了选择功率分配器的应该考虑的问题。最后介绍了功率分配器中二等分器的典型电路威尔金森（Wilkinson）功率分配器的原理和它的主要技术指标要求。
第四章根据第三章介绍的威尔金森（Wilkinson）功率分配器的基本原理，简单介绍了ADS设计系统。并在ADS环境下设计了实现传输损耗为3dB的功率分配器。本章详细分析了各部分电路的设计原理和过程，并对其电路进行了仿真、优化。从仿真结果中可看到，电路实现了传输的技术指标要求。较好的实现了预期设计目标。
第2章微带线传输线
2．1 传输线理论
广义地讲，凡是能够导引电磁波沿一定方向传输的导体、介质或者由它们共同组成的导波系统，都可以称为传输线。传输线是微波技术中最重要的基本元件之一，这是因为它不仅可以把电磁波能量从一处传输到另一处，而且还可用它做为基本组成部分来构成各种用途的微波元（器）件。具体传输线的种类很多而且可以按不同的标准分类。若按传输线所导引的电磁波的波型（亦称模、场结构或者场分布）来划分，则可以分为三种类型：
一，TEM波传输线
一般TEM传输线由两个（或者两个以上）导体组成，用来传输横电磁波（TEM）。常用传输线有双线、同轴线、带状线和微带线等，它们都属于双导体传输系统，多导体传输系统也可以传输TEM波。他们结构如图2.1-1所示
图2.1-1 TEM波和准TEM波传输线
二，TE和TM波传输线
如矩形、圆形、脊型和椭圆型波导等它们是由空心金属管构成的，属于但导体传输系统（双导体和多导体传输系统在一定垫肩下，例如，当传输线的横向尺寸与工作相比足够大时，也可以传输TE和TM波，但一般不常用，常用的主模TEM波）。图2.1-2给出了它们的结构示意图。
图2.1-2 TE波和TM波传输线
三，表面波传输线
如介质波导（包括光波导），介质镜像线，以及单根的表面波传输线等，电磁波聚集在传输线内部及其表面附近沿轴线方向传播，一般的混合波型（TE和TM波的叠加），某种情况下也可以传播TE或者TM波。图2.1-3为这种传输线的结构示意图
图2.1-3 表面波传输线
传输线理论实际上是分布参数电路理论，它在高频以上的频率（VHF/UHF）中用来研究微波传输线和微波网络的理论基础，它将基本电路理论与电磁场理论相结合，具有重要的实用价值，传输线上电磁波的传输现象，可以认为是电路理论的扩展；也可用麦克斯威方程的特殊化来逼近，从而引出传输线上电磁波传播与空间平面波传播现象的类同性。
微波系统对传输线的基本要求是：工作频带宽（或者满足一定的要求）；功率容量大（或者满足一定的要求）；工作稳定性好：损耗小；尺寸小和成本低等。一般地讲，在米波或者分米波中的低频段范围内，可采用双导线或者同轴线；在厘米波范围内可采用空心金属波导管以及带状线和微带线等；在毫米波范围内可采用空心金属波导管、介质波导、介质镜像线和微带线；在光频波段则采用光波导（光纤）。以上划分主要是从减小损耗（导体损耗、介质损耗和辐射损耗）、屏蔽好、受外界干扰小，以及减小结构尺寸和工艺上的可实现性考虑的，并非只从频率的高低来考虑的，例如波导管，若用于米波或者分米波波段，一般地则因其尺寸过大，而不便于应用。例如，同轴线也可以用于厘米波或者毫米波范围；再如，双导线、同轴线、带状线和微带线等，在传输TEM（或者准TEM波）波的情况下，若不考虑其他因素，并无频率下限，即是说，即使是直流电也可以传输。由此可见，以上的划分只是大致的情况，其界限并不十分严格。
传输线理论主要包括两方面的内容：一是研究所传输波型的电磁波在传输线横截面内的电场和磁场的分布规律（亦称场结构、模、波型），称为横向问题；二是研究电磁波沿传输线轴向的传输特性和场的分布规律，称为纵向问题。横向问题要通过求解电磁场的边值问题来解决，不同类型或者同一类型但结构形式不同的传输线，具有不同的边界条件，应分别加以研究。但是各类传输线的纵向问题却有很多共同之处，例如，都是沿轴线方向把电磁波的能量从一处传向另一处，都是一种波的传播（波动），而且，由于传输线终端所接的负载的不同，当沿着传输线的纵向观察时，可能是行波、行驻波、或者纯驻波，因此，尽管传输线类型不同，但都可以用相同的物理量来加以描述。可见，如果我们的着重点不是各类传输线的横截面内的场结构（横向问题），
而是它的纵向问题，则可以用一个等效的简单传输线（如双导线或者同轴线）来描述。简单传输线的纵向问题，可以用场的方法来分析；在求得传输线分布参数之后，也可以用路的方法来分析。前者是根据边界条件和初始条件求电磁场波动方程的解，得出电磁场随时间和空间的变化规律；后者是利用分布参数电路的理论（传输线的电路模型）来分析电压波（与电场对应）和电流波（与磁场对应）随时间和空间的变化规律。实际上，这是对同一客观事物的两种不同描述方法。而出于简便、易懂，一般采用路的方法来分析传输线的纵向问题。
2．2 微带线
2．2．1 微带传输线
微带传输线是20世纪 50 年代发展起来的一类微波传输线，具有小型、重量轻、频带宽、可集成化等优点，最普遍使用的平面传输线之一，主要是因为它可以用以光刻工艺制作，并且易于与其他无源和有源器件集成。随着微波元件和系统的日益小型化和固态化，微带电路的应用也愈来愈广泛。当然，微带传输线与同轴线和波导相比，也有某些缺点，枢要是损耗大，Q值低和难以承受较大的功率，目前只实用于小功率范围，此外，为了提高可靠性，工艺水平也有待进一步完善和提高。微带传输线的传输特性与分析方法对新兴的毫米波传输线和光导纤维也有相似之处，可供借鉴。微带传输线的种类繁多，其基本结构形式可分为标准微带线（不对称微带线，简称微带）和带状线（对称微带线）是由介质基片一边的导体带和基片另一边的接地板所构成，
导体带用印制技术敷在介质基片上。常用的介质基片材料为 99%
Al O陶瓷、石英或
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蓝宝石等低损耗介质。接地板是铜板或铝板，导体带常用金、银、铜等良导体做成。微带结构简单，体积小，重量轻，加工方便，又便于与微波固体器件接成一体，容易实现微波电路的小型化和集成化，在微波集成电路中获得了广泛的应用。
微带线是一种准TEM波传输线，结构简单，计算复杂。由于各种设计公式都有一定的近似条件，因而很难得到一个理想的设计结果，但都能够得到比较满意的工程效果。加上实验修正，便于器件的安装和电路调试，产品化程度高，使得微带线已成为射频/微波电路中首选的电路结构。
目前，微带传输线可分为两大类，一类是射频/微波信号传输类的电子产品这类产品与无线电的电磁波有关，它是以正弦波来传输信号的，如雷达、广播电视和通信；另一类是高速逻辑信号传输类的电子产品，这一类产品是以数字信号传输的，同样也与电磁波的方波传输有关，这一类产品开始主要应用在计算机等中，现在已迅速推广应用到家电和通信类电子产品上了。为了达到高速传送，对微波印制板基板材料在电气特性上有明确的要求。在提高高速传送方面，要实现传输信号的低损耗。低延迟，必须选用介电常数合适和介质损耗角正切小的基板材料进行严格的尺寸计算和加工。
2．2．2 微带线基本设计参数及设计方法
一 基本参数
微带线横截面的结构如图2.2-1所示。
相关设计参数如下：
（1）基板参数：基板介电常数ε、基板介质损耗正切tan δ、基板高度h 和导线厚度t 。导带和底板（接地板）金属通常为铜、金、锡或铝。
（2）电特性参数：特性阻抗e ε、工作频率0f 、工作波长0λ、波导波长g λ和电长度（角度）θ。
（3）微带线参数：宽度W 、长度L 和单位长度衰减量dB A 。
构成微带的基板材料、微带线尺寸与微带线的电性能参数之间存在严格的对应关系。微带线的设计就是确定满足一定点性能参数的微带物理结构。
二 设计方法
由于微带线的计算公式极为复杂，每个电路设计都要用一次相关公式是不现实的。经过几十年的发展，使得这一过程变得相当简单。微带线设计问题的实质就是求给定介质基板情况下阻抗与导带宽度的对应关系。目前使用的方法主要有：
（1）查表格。早期微波工作者针对不同介质基板，计算出了物理结构参数与电性能参数之间的对应关系，建立了详细的数据表格。这种表格的用法步骤是：①按相对介电常数选表格；②查阻抗值、宽高比W/h 、有效介电常数e ε三者的对于关系，只
要已知一个值，其他两个就可以查出；③计算，通常h 已知，则W 可得，由e ε求出波导波长，进而求出微带线长度。
（2）用软件。许多公司已开发出了很好的计算微带电路的软件。如AWR 的Microwave Office ，输入微带的物理参数和拓扑结构，就能很快得到微带线的电性能参数，并可以调整或者优化微带线的物理参数。数学计算软件Mathcad11具有很强的功能。只要写如数学公式，就能完成计算任务。
2．3 微带线用于功率分配器
微带线功率分配器的具体结构形式很多，其中较常用的是采用
3C Z Z ==g λ/4阻抗变换段的功率分配器；其功率可以是相等或者不相等的。为了更一般化，先介绍不等分功率分配器而等分功率分配器是不等分功率分配器的特例。图2.3-1是不等分功率分配器的一个原理性示意图。
图2.3-1 配有隔离电阻的微带功率分配器
这种功率分配器一般都有为了消除端口②、端口③之间耦合作用的隔离电阻R 。设主臂①（功率输入端）的特性阻抗为C Z ，支臂①—②和①—③的特性阻抗分别为2C Z 和3C Z ，他们的终端负载分别为2P 和3P 。假设微带线本身是无耗的，两个支臂对应点对
地而言的电压是相等的，那么，就可以得到下列关系式：
2
222
12U P R = （2.3.1） 2333
12U P R = （2.3.2） 232P k P = （2.3.3） 又因为23U U =，所以有
23223
P R k P R == （2.3.4） 223R k R = （2.3.5）
式中的2k 是比例系数k 可以取1（等功率情况）或者大于1和小于1（不等功率情况）。设2i Z 和3i Z 是从接头处分别向支臂①—②和①—③看去的输入阻抗，两者的关系是
223i i Z k Z = （2.3.6）
从主臂①向两支臂看去，应该是匹配的，因此有
2
2332231i i C i i i Z Z k Z Z Z Z k
==++ （2.3.7） 或
2
321i C k Z Z k
+= （2.3.8） 由此得
()221i C Z k Z =+ （2.3.9）
因为C Z 和k 是给定的，这样，2i Z 和3i Z 即可求出，前面已经讲过，223R k R =，可见，只需选定2R 或3R 中的一个值，则另一个即可确定，为计算方便，通常可选取
2C R kZ = （2.3.10）
3C Z R k
= （2.3.11） 根据式（2.3.8）、式（2.3.9）和式（2.3.10）、式（2.3.11）即可求出两个支臂的特性阻抗2C Z 和3C Z 分别为
2C Z Z ==（2.3.12）
3C Z Z ==（2.3.13） 现在讨论隔离电阻R 的作用及其值如何确定。倘若没有电阻R ，那么当信号由支臂①—②的端口②输入时，一部分功率将进入主臂①，另一部分功率将经过支臂①—③而到达端口③；反之，当信号又支臂①—③的端口③输入时，除一部分功率将进入主臂①外，还有一部分功率将到达端口②，即端口②、③之间相互影响（有耦合）。为了消除这种现象，而加了隔离电阻R 。当信号自主臂①输入时，由于R 两端电位相等，无电流通过，不影响功率分配(相当R 不存在一样)。若信号由端口②输入，一部分能量经R 到端口③，另一部分，除经支臂①—②输入主臂①外，还有一部分经支臂①—③到达端口②，但这一部分与经R 到达端口③的信号，由于路程差而使它们的相位差n ，从而使它们互相抵消， 端口3输出的能量极少：同理，当信号从端口③输入时，端门②的输出能量也极少。若R 的值和位置选择合适，就能得到较好的隔离效果。
为了求出隔离电阻R 的表示式，可以利用图6．3—2的示意图。图中和公式中的电压和电流是指其复振幅。设在端口②上接入电压为U 的信号源，这样就会在整个电路中引起电压和
电流。设在端口①、②．③处的电压分别为1U 、2U 、3U ，电流分别为1I 、'2I 、'3I ，2I 、20I 、R I ，3I 和30I 。因为支臂①—②和①—③的长度l 均为A ／4，所以，根据传输线理论可知
对于支臂①—②有
''212222cos sin C C U U l jI Z l jI Z ββ=+= （2.3.14）