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1、第三讲：功分器和定向耦合器设计第三讲：功分器和定向耦合器设计学习内容学习内容功分器和耦合器的工作原理功分器和耦合器的工作原理功分器和耦合器的基本指标功分器和耦合器的基本指标功分器和耦合器电路原理图的仿真设计优化功分器和耦合器电路原理图的仿真设计优化功分器和耦合器版图的仿真设计功分器和耦合器版图的仿真设计功分器的基本原理功分器的基本原理工作原理工作原理 功分器属于无源微波器件，应用于功分器属于无源微波器件，应用于功率的分配与合成功率的分配与合成。功分器通常采用功分器通常采用三端口网络三端口网络，常用，常用3dB3dB等分等分形式。形式。将输入信号等分或不等分地分配到各个输出端口，并在输出端口保将
2、输入信号等分或不等分地分配到各个输出端口，并在输出端口保 持相同的输出相位。持相同的输出相位。常用的功分器：常用的功分器：T T型结功分器、威尔金森功分器型结功分器、威尔金森功分器PinPout1Pout2功分器的基本原理功分器的基本原理Ka波段毫米波功率合成应用波段毫米波功率合成应用finfoutAmplifier1Power DividerAmplifier2Power Combiner利用威尔金森功分器实利用威尔金森功分器实现现2路放大器的功率合成路放大器的功率合成功分器的基本原理功分器的基本原理威尔金森功分器电路结构威尔金森功分器电路结构端口端口1 1无反射；端口无反射；端口2 2和端
3、口和端口3 3输出电压相等且同相。输出电压相等且同相。端口端口2 2和端口和端口3 3输出功率比值为任意指定值，通常为输出功率比值为任意指定值，通常为功率等分功率等分。为增加端口为增加端口2 2与端口与端口3 3的隔离度，在它们之间加入隔离电阻的隔离度，在它们之间加入隔离电阻R R。输入端口输入端口特性阻抗特性阻抗123分支微带线分支微带线分支微带线特性阻抗分支微带线特性阻抗隔离电阻隔离电阻R R功分器的基本原理功分器的基本原理威尔金森功分器微带电路基本结构威尔金森功分器微带电路基本结构123功分器的基本原理功分器的基本原理功分器的基本指标功分器的基本指标 输入端口回波损耗：输入端口回波损耗：
4、输入端口输入端口1 1的反射功率的反射功率PrPr与输入功率与输入功率PiPi之比之比插入损耗：插入损耗：输出端口的插入损耗根据输出端口的输出功率与输入端口输出端口的插入损耗根据输出端口的输出功率与输入端口1 1的输入功率的输入功率PiPi来来计算计算功分器的基本原理功分器的基本原理功分器的基本指标功分器的基本指标 输出端口间的隔离度：输出端口间的隔离度：根据输出端口根据输出端口2 2的输出功率的输出功率P2P2与输出端口与输出端口3 3的输出功率的输出功率P3P3之比计算之比计算 功分比：功分比：输出端口输出端口3 3的输出功率的输出功率P3P3与输出端口与输出端口2 2的输出功率的输出功率
5、P2P2之比之比相位平衡度相位平衡度 在功率合成应用中，输出端口相位平衡度直接影响功率合成效率，在功率合成应用中，输出端口相位平衡度直接影响功率合成效率，即要求各个输出端口信号即要求各个输出端口信号相位一致相位一致。功分器的设计、仿真、优化功分器的设计、仿真、优化等功分威尔金森功分器的设计指标等功分威尔金森功分器的设计指标频带范围：频带范围：频带内输入端口回波损耗：频带内输入端口回波损耗：S11-20dB S11-3.1dB S21-3.1dB S31-3.1dB S31-3.1dB 输出端口间隔离度：输出端口间隔离度：S23-25dB S23-【LineCalcLineCalc】-【Star
6、t LineCalcStart LineCalc】计算计算5050欧姆微带线线宽欧姆微带线线宽计算计算欧姆微带线线宽，及四分之一波长传输线的长度欧姆微带线线宽，及四分之一波长传输线的长度 功分器的设计、仿真、优化功分器的设计、仿真、优化基片参数设置基片参数设置工作频率设工作频率设置置阻抗，电长度设置阻抗，电长度设置对应微带线宽度线长结果对应微带线宽度线长结果功分器的设计、仿真、优化功分器的设计、仿真、优化微带线参数设置微带线参数设置设置微带线结构参数变量设置微带线结构参数变量 功分器的设计、仿真、优化功分器的设计、仿真、优化微带电路参数设置微带电路参数设置输入端口与四分之一波长电路处的设置输入
7、端口与四分之一波长电路处的设置 功分器的设计、仿真、优化功分器的设计、仿真、优化微带电路参数设置微带电路参数设置输出端口电路处的设置输出端口电路处的设置 功分器的设计、仿真、优化功分器的设计、仿真、优化设置完成的功分器电路图设置完成的功分器电路图 功分器的设计、仿真、优化功分器的设计、仿真、优化开始仿真开始仿真 全频段内隔离度未达指标，并且平坦度较差，需优化全频段内隔离度未达指标，并且平坦度较差，需优化功分器的设计、仿真、优化功分器的设计、仿真、优化电路优化电路优化 对阻抗匹配电路的优化对阻抗匹配电路的优化-优化优化变量变量w2w2，lhlh 功分器的设计、仿真、优化功分器的设计、仿真、优化电
8、路优化电路优化 优化仿真器和优化目标的设置优化仿真器和优化目标的设置由于电路对称性，由于电路对称性，S(3,1)和和S(3,3)不需优化不需优化 输入端口回波输入端口回波输出端口回波输出端口回波插入损耗插入损耗输出端口隔离度输出端口隔离度功分器的设计、仿真、优化功分器的设计、仿真、优化加入优化加入优化 元件后的电路拓扑元件后的电路拓扑 功分器的设计、仿真、优化功分器的设计、仿真、优化优化后的仿真结果优化后的仿真结果 满足设计指标！满足设计指标！功分器的设计、仿真、优化功分器的设计、仿真、优化版图的生成与仿真版图的生成与仿真 显示生成版图有效元显示生成版图有效元件数目等信息件数目等信息输入端口输
9、入端口1 1输出端口输出端口2 2输出端口输出端口3 3功分器的设计、仿真、优化功分器的设计、仿真、优化版图的生成与仿真版图的生成与仿真 输入端口输入端口1 1输出端口输出端口2 2输出端口输出端口3 3功分器的设计、仿真、优化功分器的设计、仿真、优化版图的版图的S参数仿真参数仿真 功分器的设计、仿真、优化功分器的设计、仿真、优化版图的版图的S参数仿真结果参数仿真结果 功分器的设计、仿真、优化功分器的设计、仿真、优化小结小结 功分器的基本工作原理及主要指标功分器的基本工作原理及主要指标 威尔金森功分器的仿真设计优化威尔金森功分器的仿真设计优化 威尔金森功分器版图的仿真设计威尔金森功分器版图的仿
10、真设计 定向耦合器的基本原理定向耦合器的基本原理定向定向耦合器基本工作原理耦合器基本工作原理 定向耦合器属于无源微波器件，为定向耦合器属于无源微波器件，为四端口器件四端口器件，分为：，分为：微带耦合线耦合器微带耦合线耦合器波导定向耦合器波导定向耦合器输入输入耦合耦合直通直通隔离隔离输入输入耦合耦合直通直通隔离隔离定向耦合器的基本原理定向耦合器的基本原理定向定向耦合器基本工作原理耦合器基本工作原理 波导定向耦合器波导定向耦合器输入输入耦合耦合直通直通隔离隔离定向耦合器的基本原理定向耦合器的基本原理定向定向耦合器基本工作原理耦合器基本工作原理 定向耦合器可设计为任意功率分配比，广泛应用于功率分配与
11、合定向耦合器可设计为任意功率分配比，广泛应用于功率分配与合 成。成。常用定向耦合器：常用定向耦合器：LangeLange耦合器（交指耦合器）耦合器（交指耦合器）应用于耦合较强的情况，通常设计为应用于耦合较强的情况，通常设计为3dB3dB耦合；耦合；具有一个倍频程或更宽的带宽；具有一个倍频程或更宽的带宽；在平衡放大器、功率分配器和平衡混频器中有广泛应用。在平衡放大器、功率分配器和平衡混频器中有广泛应用。定向耦合器的基本原理定向耦合器的基本原理LangeLange耦合器基本工作原理耦合器基本工作原理 9090度相位差度相位差金丝焊接金丝焊接定向耦合器的基本原理定向耦合器的基本原理LangeLang
12、e耦合器的耦合系数耦合器的耦合系数 耦合系数用耦合系数用C C表示表示，影响耦合系数的参数有：，影响耦合系数的参数有：耦合线宽与基板厚度比耦合线宽与基板厚度比W/HW/H耦合缝隙宽度与基板厚度比耦合缝隙宽度与基板厚度比S/HS/H基板介电常数基板介电常数导体厚度与基板厚度比导体厚度与基板厚度比T/HT/H 耦合缝隙宽度与基板厚度比耦合缝隙宽度与基板厚度比S/HS/H，导体厚度与基板厚度比，导体厚度与基板厚度比T/HT/H对耦合系数对耦合系数C C有较大影响。有较大影响。定向耦合器的基本原理定向耦合器的基本原理定向定向耦合器基本指标耦合器基本指标耦合度：耦合度：耦合端口耦合端口3 3输出功率输出
13、功率P3P3和输入端口和输入端口1 1输入功率输入功率P1P1之比：之比：隔离度：隔离度：隔离端口隔离端口4 4的输出功率的输出功率P4P4和输入端口和输入端口1 1的输入功率的输入功率P1P1之比：之比：定向耦合器的基本原理定向耦合器的基本原理定向定向耦合器基本指标耦合器基本指标定向度：定向度：隔离端口隔离端口4 4输出功率输出功率P4P4和耦合端口和耦合端口3 3输出功率输出功率P3P3之比：之比：插入损耗：插入损耗：直通端口直通端口2 2的输出功率的输出功率P2P2和输入端口和输入端口1 1的输入功率的输入功率P1P1之比：之比：定向耦合器的基本原理定向耦合器的基本原理定向定向耦合器基本
14、指标耦合器基本指标输入驻波比：输入驻波比：端口端口2 2、3 3、4 4都接匹配负载时，输入端口都接匹配负载时，输入端口1 1的驻波比：的驻波比：工作带宽：工作带宽：定向耦合器定向耦合器C C、I I、D D等参数满足要求的工作频率范围等参数满足要求的工作频率范围 定向耦合器的仿真设计定向耦合器的仿真设计定向定向耦合器设计指标耦合器设计指标频带范围：频带范围：0-20GHz0-20GHz中心频点：中心频点：12GHz12GHz在在8-16GHz8-16GHz倍频程内输入倍频程内输入驻波比小于驻波比小于在中心频点在中心频点12GHz12GHz处插损和耦合度：处插损和耦合度：8-16GHz8-16
15、GHz倍频程内定向度：倍频程内定向度：S41/S31-17dB S41/S31-17dB 8-16GHz8-16GHz倍频程内隔离度：倍频程内隔离度：S41-20dB S41-20dB 定向耦合器的仿真设计定向耦合器的仿真设计建立耦合器设计的电路原理图建立耦合器设计的电路原理图 直通端口直通端口耦合端口耦合端口输入端口输入端口隔离端口隔离端口定向耦合器的仿真设计定向耦合器的仿真设计建立耦合器设计的电路原理图建立耦合器设计的电路原理图 直通端口与耦合端口相位差直通端口与耦合端口相位差直通端口直通端口耦合端口耦合端口输入端口输入端口隔离端口隔离端口定向耦合器的仿真设计定向耦合器的仿真设计 经验初值
16、的仿真结果经验初值的仿真结果定向耦合器的仿真设计定向耦合器的仿真设计耦合器的参数优化耦合器的参数优化 优化微带线线宽优化微带线线宽w(0.02-0.0508mm)w(0.02-0.0508mm)；和缝间距；和缝间距s(0.02-0.038mm)s(0.02-0.038mm)插入损耗插入损耗耦合度耦合度隔离度隔离度定向耦合器的仿真设计定向耦合器的仿真设计优化后的仿真结果优化后的仿真结果 定向耦合器的版图仿真定向耦合器的版图仿真版图的生成版图的生成 从原理图导入基片参数从原理图导入基片参数直通端口直通端口耦合端口耦合端口输入端口输入端口隔离端口隔离端口定向耦合器的版图仿真定向耦合器的版图仿真S参数仿真设置参数仿真设置 定向耦合器的版图仿真定向耦合器的版图仿真仿真结果仿真结果 定向耦合器的版图仿真定向耦合器的版图仿真小结小结定向耦合器的基本工作原理及主要指标定向耦合器的基本工作原理及主要指标LangeLange耦合器的仿真设计优化耦合器的仿真设计优化LangeLange耦合器版图的仿真设计耦合器版图的仿真设计 谢谢！谢谢！