基于HFSS的不等功率分配器 - 图文

不等功率分配器

一、功分器的设计及原理

1、功分器原理

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。在简单功分器中引入隔离电阻，变为有耗的三端口网络，有耗三端口网络可以做到做到完全匹配，且输出端口之间具有隔离。它的主要技术指标包括频率范围、输入输出间的插入损耗、支路端口间的隔离度、回波损耗等。

如右图示为功分器原理图，有耗三端口网络可以做到完全匹配，且可以用微带线或带状线来实现。

2、技术指标

频率范围：中心频率3.5GHz 主路端口的回波损耗小于-20dB 主路到支路的耦合度比为1:2 支路端口间的隔离度小于-20dB

3、（图1）

设

计

参

数

的

确

定

如右图2所示，其中输入端口特性阻抗为Z0,分成的两端微带线电长度为

?g/4，特性阻抗分别是Z02和Z03，终端分别接有

电阻R2和R3。

功率分配器的基本要求如下： ?端口“?”无反射。

?端口“?、?”输出电压相等且同相。

?端口“?、?”输出功率比值为任意指定值， 设为1/2（k?2）。 根据以上三条有：

111 （图2） ??Zin2Zin3Z021U21U321()/()? 2R22R32U2?U3

由传输线理论有：

Zin22Z02 ?R2Zin32Z03 ?R3这样共有R2、R3、Z02、Z03四个参数而只有三个约束条件，故可任意指定其中的一个参数，设R2?kZ0，k?2，于是

Z02?Z0k(1?k2) Z03?Z0(1?k2)/k2

R3?Z0 k实际的功率分配器终端负载往往是特性阻抗为Z0的传输线，而不是纯电阻，此时可用?g/4阻抗变换器将其变为所需电阻，另一方面U2、U3等幅同相，在“?、?”段跨接电阻Rj，既不影响功率分配器性能，又可增加隔离度。

Z04?R2Z0?Z0k

Z05?R3Z0?1?k2Rj?Z0

kZ0 k取k2?2时，计算出：

R2?70.71，R3?35.4，Z02?103，Z03?51.5，R?106.1

Z04?59.5，Z05?42.1，?0?85.7，?g?46.9 根据阻抗的大小可得到各段微带的宽度：

Z0的宽度w1?2.88mm，Z02的宽度w2?0.6mm，Z03的宽度w3?2.75mm，Z04的宽度w4?2.13mm，Z05的宽度w5?3.8mm，每段微带线的长度都是?g/4。

通过以上的分析，所需参数值已经确定，接下来就可以进行设计了。

二、功分器模型的设计

1，打开HFSS,新建工程，修改名称，将其保存。

2，打开设计界面，首先画一个BOX，设置其厚度为1.5mm,w=20mm。其参数如图3所示

（ 图3）

2、在设置好的BOX上开始画微带线，在菜单栏里Draw里的Rectangle执行指令后在BOX上开始绘制根据已求解得的参数和模型一步一步进行绘制即可。绘制完成后，在属性对话框里对其进行参数的设置。

3、创建微带切脚，选择Draw Line在微带线的借口处进行绘制，生成三角形切脚模型。可选择按钮

可将微带线进行连接形成一个微带线模型。

4、以下就是绘制好的模型

（图4） 5，为模型添加边界及激励

a.给微带线添加理想导体边界，模拟金属微带线

b.给介质基板添加材料为FR4_epoxy,其相对介电常数为4.4

c.添加参考地平面：在介质基板下添加，绘制一个矩形。调整其大小，并为其添加理想导体边界

d.添加集总RLC边界：在两路的微带线之间画一个大小合适的矩形，修改其参数，作为载体，在此模型上单击鼠标右键在弹出的Assign Boundaries中的Lumped RLC,在对话框修改其名称，勾选Resistance,输入电阻值，选择New Line在模型上绘制。如图（5）

（图5）

e.添加空气盒子：选择绘制一个BOX将整个模型包起来，各面距离仿真模型大于等于1/4波长，材料为真空，在value里中将BOX1改为air,透明度设置为0.8

f.添加端口激励：在三个端口绘制矩形平面选中该平面，单击鼠标右键在弹出的菜单中选择Assign Excitation中的Lump Port,弹出对话框，单击下一步，在对话框中单击Itegration Line中的none在下拉框中选择New Line来绘制积分线。

（图6） （图7） （图8）

三、仿真的设置

1、设置HFSS的求解频率为3.5GHZ，其他参数设置如图（9）示 2、添加一个3Hz到4Hz的扫频，步进长度为0.1GHz

3、设置完成后可进行验证看是否有错，在如图（10）的对话框中都是正确的则可进行仿真

（ 图9） （图10）

4,、仿真后即可进行结果的查看

四、结果与分析

1、 在result里，选择生成rectangular plot。再出现的窗口中分别选择S（1,1）、S（1,2）、S（1,3），S（2,3），生成波形。 2、 S（1，1）

（ 图11）一端口的反射系数 分析：

在频率3.5GHz时反射系数小于-20dB 3、 S（1,2），S（1,3）

（图12）端口到2、3端口的反射系数

分析：

因为是一分二不等功率分配器，所以端口1,3的耦合度等于端口1,2耦合度的两倍

4、 S（2,3）

（图13）端口2、3之间的隔离度 分析：在3.5GHz时小于-20dB 五、总结

整体的结果达到当初的设计指标：主路端口的回波损耗小于-20dB ，主路到支路的耦合度比为1:2，支路端口间的隔离度小于-20dB。只是衰减比较大，输出的功率与输入的功率比只有百分之80左右，可以尝试使用导电率更好的金属作涂敷层和更好的介质板用来减少功率损耗。 六、参考文献

微波技术与天线（第三版） 西安电子科技大学出版社

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/m53d.html