功分器设计报告.docx
功 分 口口 器 设 计 报 告组员： _指导老师：日期：2013年5月3日功分器基本原理功分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，此时也可称为合路器，一个 功分器的输出端口之间应保证一定的隔离度。种类：功分器一般有二功分、三功分和四功分3种。功分器从结构上分一般 分为：微带和腔体2种。腔体功分器内部是一条直径由粗到细程多个阶梯递减的 铜杆构成，从而实现阻抗的变换,二微带的则是几条微带线和几个电阻组成，从而 实现阻抗变换。功分器通常备为能量的等值分配，通过阻抗变换线的级联与隔离电阻的选择， 具有很宽的频带特性。参数说明：插入损耗：器件直通损耗，其计算公式为所有的路数的输出功率之和与输入 功率的比值，或单路的实际直通损耗减去理想的分配损耗，一般理想分配损耗由 下式获得：理想分配损耗（dB）=10log（1/N）N为功分器路数N=2 3.0dBN=3 4.8dBN=4 6.0dB隔离度：当主路接匹配负载时，各分配支路之间的衰减量。 幅度平衡：指频带内所有输出端口之间的幅度误差最大值。 相位平衡：指频带内各输出端口之间相对于输入端口相移量的起伏程度。图是二路功分器的原理图。图中输入线的特性组抗为Z0,两路分支线的特性 阻抗分别为Z02和Z03，线长为入/4 ,入/4为中心频率时的带内波长。图中R2,R3 为负载阻抗，R为隔离阻抗。对功分器的要求是：两输出口2和3的功率按一定比例分配，并且两口之间 相互隔离，当两口接匹配负载时，1 口无反射。下面根据上述要求，确定Z02、 Z03、R2、R3及R的计算公式。设2 口、3 口的输出功率分别为P2、P3，对应的电压为V2、V3 .根据对功分器的要求，则有：P3=K2P2IV3I2/R3=K2IV2I2/R2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V3=V2 于是得 R2=K2R3若取R2=KZ0则R3=Z0/K因为分支线长为入e0/4,故在1 口处的输入阻抗为：Zin2=Z022/R2Zin3=Z032/R3为使1 口无反射，则两分支线在1处的总输入阻抗应等于引出线的Z0,即Y0=1/Z0=R2/Z022+R3/Z032若电路无损耗，则IV1l2/Zin3=k2IV1l2/Zin2式中V1为1 口处的电压所以 Zin=K2Z03Z02=Z0(1+K2)/K30.5Z03=Z0(1+K2)K0.5设计目标工作频率：1.52.5GHz插入损耗：忍1dB隔离度：20dB (3个端口)幅度不平度：1dB相位不平度：3°输入输出驻波比：1.5电路仿真电路仿真采用ADS2011软件，原理图如下图所示:原理图经过多次优化之后，各项指标均能达到设计要求，仿真曲线如下所示:-20freq, GHz原理图隔离度S23.0 .53 322-24.51.801.851.901.952.002.052.102.152.20freq, GHz原理图插入损耗S21电磁场仿真场仿真采用HFSS10.0软件，3D模型及仿真曲线如下图所示版图设计经过ADS软件仿真及优化之后，通过Layout得到仿真版图如下图所示:版图经过HFSS软件可导出CAD版图，如下图所示:CAD版图实验调试根据CAD版图，可制得实际版图，经过简单的焊接工作之后，制作的功分 器如图所示：实物图将功分器连接电缆与频谱分析仪连成回路，经过频谱仪操作，可测得测试曲 线如下图所示：有、S21dB Mag 1 dB? Ref-0.3 dEDatej 26.APR.201.3 10:56:56Trc1Trc1Mem2|Trc1S2VS21PhasePhase2D00/ Ref-225°200°/ Ref -225cMath Irn/iEible13g|ewb41r 1 r 92_L036000qsnnnnGHz CH亍 ，2.214 °?71R 0 f J4| FL I1 17bMk；'Mki1-25I -42b-UzL>-OuLjdUgb 1Ch1 Centsr 2 GHzPwr -10dBmSpan 400 MHzDat#：部.APR-找13 10:59：15相位不平度测试曲线Dat-f : 26.AFR.20L31. ;55 :31Ch1 Center 2 GHzDate: 26.APR-20131Mkr1 Mkr :1 90 1 K5000 Gl gi12 -24244 OBMkr 1Ref-0.3 dBRef-0 3dB隔离度测试曲线Trc1Mem2rTrc1 dBM祁 D.1 dB/ RefO.S9dB dB Mag 0.1 dB/ RefO.S9dBMattiIrwisi ble1Datei 26.APR.201311:0ai00数据分析通过测试曲线，可知功分器基本工作在1.8-2.2GHz；S11参数最小值为-4.394dB，考虑到仪器本身的3dB损耗，可知插损为1.394dB， 略大于1dB，未达到插损1dB的设计指标；相位不平度最大值为2.718°，数值小于等于3°，达到设计指标；设计指标中要求输入输出驻波1.5，经过换算可得S11-14dB才能满足设 计要求，而测试数据中S11参数最大值为-15.517dB，满足设计要求；工作频率范围内，隔离度为24.244dB26.824dB，满足隔离度N20dB的设 计要求；幅度不平度最大值为0.465dB，达到幅度不平度1dB的设计指标。实验结论经过数据分析，可知所制功分器除了插损略有瑕疵，其它参数均能满足设计 要求，性能指标基本合格，实验比较成功。实测数据与仿真数据有一定的差异，如隔离度指标仿真数据为21dB28.5dB， 而实测为24.244dB26.824dB，S11参数与S21参数仿真数据与实测数据也有一 定的偏差，这与实验仪器的误差、传输线的误差及制作板材均有一定的关系，所 以为了最后能达到设计指标在前期仿真和实物的制作过程中均要精益求精，任何 一步细微的失误都有可能导致最后制作的失败。通过本次实验，在老师的指导之下，使本小组所有成员基本了解了功分器的 设计思路，夯实了与功分器有关的专业基本知识，进一步掌握了 HFSS及ADS 软件的仿真及优化方法，对高频器件的设计及制作有了初步的认识，实现了学习 本门课程的目的。
