不等分微带功分器设计

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本科毕业设计

（2011届）

题目学院专业班级学号学生姓名指导教师完成日期

不等分微带功分器设计

电子信息学院电子科学与技术

2011年3月

诚信承诺

我谨在此承诺：本人所写的毕业论文《不等分微带功分器设计》均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。

承诺人（签名）：

年月日

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摘要

在无线通讯射频电路中经常会遇到要求射频功率不平衡分配的情况，因此不等分功分器在实际射频电路中有着重要的应用价值。微带线具有体积小、易加工、易集成等优点，而被广泛应用于射频微波集成电路中。因此本毕业设计主要是针对微带线型不等分功分器的研究而展开的。不等分微带功分器相对于等分微带功分器而言，设计难度要更为复杂一点，需要考虑的影响因素要更多一些。本次设计中，通过对Wilkinson微带功分器的研究，提出了不等分微带功分器的设计理论。在此理论基础上，利用Advance Design System射频微波电路仿真软件，设计了两款一分二不等分的微带型功率分配器（功分比例分别为1:2，3:4）。实验和仿真结果一致，并满足设计指标要求，从而论证了不等分微带型功率分配器设计理论的正确性。

关键词：不等分；微带；功分器；ADS软件；射频

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ABSTRACT

RF circuits in wireless communications requirements often encountered in the power imbalance in the distribution of radio frequency, ranging from sub-splitters so the actual RF circuit has important application value. Microstrip line is small, easy processing, easy integration, etc., which are widely used in microwave integrated circuits in RF. Therefore, this graduation design mainly for microstrip line power splitter sub-ranging research undertaken. Ranging from sub-microstrip power divider relative to the attainment of microstrip power divider, the design is difficult to be more complex, factors to be considered to be more of them. The design, by microstrip Wilkinson power divider on the research, proposed ranging from sub-microstrip power splitter design theory. Based on this theory, the use of Advance Design System RF and microwave circuit simulation software, designed two points of a sub-second range Microstrip power splitter (power divider ratio was1:2,3:4). Experimental and simulation results are consistent and meet the design requirements, which demonstrates the range Microstrip power splitter sub-design theory is correct.

Key words: unequal; microstrip; power divider; advance design system software; RF

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1 引言 -------------------------------------------------------------------------------------------1 2 概述 --------------------------------------------------------------------------------4 2.1 不等分功分器中的微带线 -------------------------------------------------------4

2.1.1 微带线的定义----------------------------------------------------------------------4 2.1.2 微带线的结构----------------------------------------------------------------------4 2.1.3 微带线计算-------------------------------------------------------------------------5 2.1.5 微带线常用材料-------------------------------------------------------------------6 2.2 功分器 ------------------------------------------------------------------7 2.2.1 功率分配器定义-------------------------------------------------------------------7 2.2.2 功率分配器的工作原理----------------------------------------------------------8 2.2.3 微带线功率分配器----------------------------------------------------------------9 3 总体设计 ---------------------------------------------------------------------------------12 4 软件设计 --------------------------------------------------------------------------------13

4.1 ADS软件--------------------------------------------------------------------13 4.1.1 ADS软件介绍---------------------------------------------------------------------13 4.1.2 ADS仿真分析---------------------------------------------------------------------13 4.2 总体方案-----------------------------------------------------------------------------15 4.3 程序流程 --------------------------------------------------------------------------16 5 制作与调试 --------------------------------------------------------------------------------27 5.1 硬件电路 --------------------------------------------------------------------------27

5.2 调试 --------------------------------------------------------------------------------27 结论 ----------------------------------------------------------------------------------------------31 致谢 ----------------------------------------------------------------------------------------------32 参考文献 ----------------------------------------------------------------------------------------33

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?e?2?ln（2-10） ?1?1119.9?Wln4e?W???116r?[???r(ln?ln(?0.9))]?222h?2?2?22h?r?r?rZ0???r?119.94h4h?14??1?[ln(?()2?2)?r(ln?ln)]W2(?r?1)2?r??（2?r+1）W? ??2?p?g （2-11）

??r?11?r?1?1ln4?2[1?(ln?)]?22H?12???r?r?? （2-12） ?e?1?110h??r??r(1?)?0.555?22we?2.1.4 微带线常用材料

构成微带线的材料就是金属和介质，对于金属的要求是导电性能，对于介质的要求是提供合适的介电常数，而不带来损耗。当然，这是理想情况下，对材料的要求还与制造成本和系统性能有关。

1）介质材料

高速传送信号的基板材料一般有陶瓷材料、玻纤布、聚四氟乙烯、其他热固性树脂等。表2-1给出了微波集成电路中常用介质材料的特性。就微带加工工艺而言，这些材料有两种实现方式：

（1）在基片上沉淀金属导带，这类材料主要是陶瓷类刚性材料。这种方法工艺复杂，加工周期长，性能指标好，在毫米波或要求高的场合使用。

（2）在现成介质覆铜板上光刻腐蚀成印制板电路，这类材料主要是复合介质类材料。这种方法加工方便，成本低，是目前使用最广泛的方法，又称为微波印制板电路。

在所有的树脂中，聚四氟乙烯的介电常数Εr稳定，介质损耗角正切最小，而且耐高低温性和耐老化性能好，最适合于作高频基板材料，是目前采用量最大的微波印制板制造基板材料。

2）铜箔种类及厚度选择

目前最常用的铜箔厚度有35μm和18μm两种。铜箔越薄，越易获得高的图形精密度，所以高精密度的微波图形应选用不大于18μm的铜箔。如果选用35μm的铜箔，则过高的图形精度使工艺性变差，不合格品率必然增加。研究表明，铜箔类型对图形精度亦有影响。目前的铜箔类型有压延铜箔和电解铜箔两类。压延铜箔较电解铜箔更适合于制造高精密图形，所以在材料订货时，可以考虑选择压延铜箔的基材板。

杭州电子科技大学本科毕业设计表2-1 微波集成电路中常用介质材料的特性

损耗角正切相对介电常数电导率? tan?*10?4 r （10GHz时） 2 10 0.30 氧化99.5% 6 9 0.28 铝陶96% 85% 15 8 0.20 瓷 1 10 0.40 蓝宝石材料应用 ?微带线玻璃熔石英氧化玻金红石铁氧体聚四氟乙烯 20 1 1 4 2 15 5 4 7 100 14 2.5

0.01 0.01 2.50 0.02 0.03 微带线，集总参数元件微带线，集总参数元件微带线，集总参数元件微带线复合介质基片微带线微带线，不可逆元件微带线 3）环境适应性选择

现有的微波基材，对于标准要求的-55~+125℃环境温度范围都没有问题。但还应考虑两点，一是孔化与否对基材选择的影响，对于要求通孔金属化的微波板，基材z轴热膨胀系数越大，意味着在高低温冲击下，金属化孔断裂的可能性越大，因而在满足介电性能的前提下，应尽可能的选择z轴热膨胀系数小的基材；二是适度对基材板选择的影响，基材树脂本身吸水性很小，但加入增强材料后，其整体的吸水性增大，在高温环境下使用时会对介电性能产生影响，因而选材时应选择吸水性小的基材或采取结构工艺上的措施进行保护。

2.2 功分器

2.2.1 功率分配器定义

在射频/微波电路中，为了将功率按一定的比例分成两路或多路，需要使用功率分配器（简称功分器）。在近代射频/微波大功率固态发射源的功率放大器中广泛地使用着功率分配器。

功率分配器的技术指标包括频率范围、承受功率、主路到支路的分配损耗、输入输出间的插入损耗。支路端口间的隔离度、每个端口的电压驻波比等。

（1）频率范围。这是各种射频/微波电路的工作前提，功率分配器的设计结构与工作频率密切相关。必须首先明确分配器的工作频率，才能进行下面的设计。

（2）承受功率。在大功率分配器/合成器中，电路元件所能承受的最大功率

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是核心指标，它决定了采用什么形式的传输线才能实现设计任务。一般地，传输线承受功率由小到大的次序是微带线、带状线、同轴线、空气带状线、空气同轴线，要根据设计任务来选择用何种传输线。

（3）分配损耗。主路到支路的分配损耗实质上与功率分配器的功率分配比有关。如两等分功率分配器的分配损耗是3dB，四等分功率分配器的分配损耗是6dB。定义：

Ad?10lg式中

PinPout （2-13）

Pin?kPout （2-14）

（4）插入损耗。输入输出间的插入损耗是由于传输线（如微带线）的介质或导体不理想等因素，考虑输入端的驻波比所带来的损耗。定义

Ai?A?Ad （2-15）

其中，A是实际测量值。在其他支路端口接入匹配负载，测量主路到某一支路间的传输损耗。可以想象，A是理想值就是Ad。在功率分配器的实际工作中，几乎都是用A作为研究对象。

（5）隔离度。支路端口间的隔离度是功率分配器的另一个重要指标。如果从每个支路端口输入功率只能从主路端口输出，而不应该从其他支路输出，这就要求支路之间有足够的隔离度。在主路和其他支路都接匹配负载的情况下，i口和j口的隔离度定义为

Aij?10lg隔离度的测量也可按照这个定义进行。

PinPout （2-16）

（6）驻波比。每个端口的电压驻波比越小越好。 2.2.2 功率分配器的工作原理

一分为二功率分配器是三端口网络结构，如图2-2所示。

图2-2 功率分配器示意图

信号输入端的功率为P1，而其他两个输出端口的功率分别为P2和P3。由能量

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守恒定律可知P1= P2+ P3。

如果P2（dBm）= P3（dBm），三端功率间的关系可写成

P2（dBm）= P3（dBm）

=Pin（dBm）-3dB （2-17）当然，P2并不一定要等于P3，只是相等的情况在实际电路中最常用。因此，功率分配器可分为等分型（P2= P3）和比例型（P2= kP3）两种类型。 2.2.3 微带线功率分配器

功率分配器/合成器有两路和多路或三路情况下。（1）两路功率分配器

如图2-3是两路微带线威尔金森功率分配器示意图。

图2-3 威尔金森功率分配器示意图

这是一个功率分配器，Z0是特性阻抗，λg是信号的波导波长，R是隔离电阻。当信号从左端一号端口输入时，功率从二号端口和三号端口等功率输出。如果有必要，输出功率可按一定比例分配，并保持电压同相，电阻R上无电流，不吸收功率。若二号端口或三号端口有失配，则反射功率通过分支叉口和电阻两路到达另一支路的电压等幅反相而抵消，在此点没有输出，从而可保证两输出端有良好的隔离。

考虑一般情况（比例分配输入功率）下，设三号端口P3和二号端口P2的输出功率比为k2，即

P3k?P22 (2-18)

由于一号端口到二号端口与一号端口到三号端口的线长度相等，故二号端口的电压U2与三号端口的电压U3相等，即U2= U3。二号端口与三号端口的输出功率与电压的关系为

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2?U2?P2?Z2??2 (2-19) ?P?U3?3Z?2将上式代入（2-18），得

2U32U?k22 （2-20） Z3Z2即

Z2?k2Z3 （2-21）

式中，Z2、Z3为二号端口和三号端口的输入阻抗，若选

?Z2?kZ0??Z0Z3??k?1? （2-22）

则可以满足式（2-21）。为了保证一号端口匹配，应有

Z2?Z322Z0Z02Z031kZ0Z3 （2-23） ??22Z0Z02kZ03同时考虑到

22Z022Z03?kZ2Z3 (2-24）