一分四功分器的設(shè)計(jì)與仿真

劉楷

摘 要：在微波電路中，功分器是將一路功率按照比例分為兩路或多路分支，這種器件叫功分器。功分器的實(shí)現(xiàn)方式有很多種，可以用微帶線、共面波導(dǎo)、槽線、不對(duì)稱共面帶線等傳輸線實(shí)現(xiàn)。文章對(duì)功分器的應(yīng)用及參數(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，利用CST仿真軟件對(duì)一分四功分器進(jìn)行設(shè)計(jì)，著重講述了功分器設(shè)計(jì)中的參數(shù)計(jì)算和優(yōu)化過程。

關(guān)鍵詞：微波；功分器；電磁仿真；損耗；參數(shù)優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TN626 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）18-0084-03

Abstract： In microwave circuit， power divider is divided into two or more branches according to the proportion of the power. This device is called power divider. There are many ways to realize the power divider， such as microstrip line， coplanar waveguide， slot line， asymmetric coplanar strip line and so on. In this paper， the application and parameters of the power divider are briefly introduced， and the design of the sub-four power divider is carried out by using the CST simulation software， and the process of parameter calculation and optimization in the design of the power divider is emphatically described.

Keywords： microwave； power divider； electromagnetic simulation； loss； parameter optimization

1 功分器的介紹

功率分配器是一種在現(xiàn)代通信中廣泛應(yīng)用的微波無源器件，被廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)以及電子站等電子系統(tǒng)中。它的基本功能是將一路信號(hào)輸入能量分成兩路或多路輸出相等或不相等的能量，一般每分一路都有幾dB的衰減，信號(hào)頻率不同，分配器不同，衰減也不同。一個(gè)功分器的輸出端口之間應(yīng)保證一定的隔離度。反過來，將多路信號(hào)能量合成一路輸出，此時(shí)也可稱為合路器。近年來，在系統(tǒng)需要的牽引下，功率分配器正朝著寬頻帶、低插損以及高功率方向發(fā)展。傳統(tǒng)的微帶傳輸線功分器（如威爾金森、分支線電橋、環(huán)形電橋等），Q值低，易實(shí)現(xiàn)寬帶，但具有損耗大、功率容量小等缺點(diǎn)，基于波導(dǎo)傳輸結(jié)構(gòu)的功率分配器損耗小于普通的平面?zhèn)鬏斁€，具有功率容量大等特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于高功率場(chǎng)合[1]。

2 功分器的技術(shù)指標(biāo)

功分器的技術(shù)指標(biāo)包括頻率范圍、承受功率、主路到支路的分配損耗、輸入輸出間的插入損耗、支路端口間的隔離度、每個(gè)端口的電壓駐波比等[2]。

2.1 頻率范圍

這是各種射頻/微波電路的工作前提，功分器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與工作頻率密切相關(guān)。必須首先明確分配器的工作頻率，才能進(jìn)行下面的設(shè)計(jì)。

2.2 承受功率

在大功分器/合成器中，電路元件所能承受的最大功率是核心指標(biāo)，它決定了采用什么形式的傳輸線才能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)任務(wù)。一般地，傳輸線承受功率由小到大的次序是微帶線、帶狀線、同軸線、空氣帶狀線、空氣同軸線，要根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)來選擇用何種線。

2.3 分配損耗

主路到支路的分配損耗實(shí)質(zhì)上與功分器的功率分配比有關(guān)。如兩等分功分器的分配損耗是3dB，四等分功分器的分配損耗是6dB。

2.4 插入損耗

輸入輸出間的插入損耗是由于傳輸線（如微帶線）的介質(zhì)或?qū)w不理想等因素，考慮輸入端的駐波比所帶來的損耗。

2.5 隔離度

支路端口間的隔離度是功分器的另一個(gè)重要指標(biāo)。如果從每個(gè)支路端口輸入功率只能從主路端口輸出，而不應(yīng)該從其他支路輸出，這就要求支路之間有足夠的隔離度。

2.6 駐波比

每個(gè)端口的電壓駐波比越小越好。

3 功分器的設(shè)計(jì)過程

本課程設(shè)計(jì)主要是使用電磁仿真軟件設(shè)計(jì)并仿真一款工作于中心頻率為10GHz的金屬波導(dǎo)一分四平均功率分配器。這次仿真我采用的是CST仿真軟件，設(shè)計(jì)的三維結(jié)構(gòu)仿真模型如圖1所示。

整個(gè)模型是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，由三層構(gòu)成，整體看起來形同一把吉他。電磁波由第一層的1端口進(jìn)入，到達(dá)隔板l6處平均分配，然后由第二層進(jìn)入第三層，在隔板l3處再次分別一分為二，由于整個(gè)結(jié)構(gòu)是對(duì)稱的，所以達(dá)到一分四平均分配的結(jié)果，其原理如圖2所示。

各個(gè)部分參數(shù)如下所示，其中a，b分別對(duì)應(yīng)波導(dǎo)端口的長(zhǎng)和寬，t為波導(dǎo)壁的厚度，其他參數(shù)l1，l2，l3，l4，l5，l6分別對(duì)應(yīng)于上圖的各處長(zhǎng)度，設(shè)定的各參數(shù)大小如下圖表格所示：

在構(gòu)建了整體模型后，我仿真的第一步是制作出一分二模型，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，粗略的仿真出一分二模型后，需要對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，此次優(yōu)化即是對(duì)參數(shù)l3的優(yōu)化，首先我對(duì)l3進(jìn)行了大致的掃描以確定滿足要求的l3值范圍，然后在效果比較好的幾個(gè)樣點(diǎn)進(jìn)行了幾次優(yōu)化以得到最為理想的結(jié)果。優(yōu)化后的l3長(zhǎng)度見圖3，優(yōu)化后的S11示意圖如圖5所示，根據(jù)仿真結(jié)果在頻率為10GHZ左右衰減達(dá)到了-20dB以下，優(yōu)化后的S21，S31示意圖相同并且如圖6所示，在10GHZ左右衰減為-3dB左右，所以是平均分配，符合要求。

在一分二模型成功的優(yōu)化完畢后，采用鏡像復(fù)制的方法復(fù)制出一個(gè)并在一起的相同的單元，并在其上端接上一個(gè)一分二模型，最終得到圖1所示的模型。接下來對(duì)圖2中的l6進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化的過程如一分二的優(yōu)化一樣，優(yōu)化后的l6如圖3表格所示，優(yōu)化的結(jié)果S11與頻率關(guān)系曲線圖如圖7，S21，S31與頻率關(guān)系曲線圖如圖8所示。由于4，5端口是又2，3端口鏡像復(fù)制得到，所以互相相等，即S21，S31，S41，S51相等。

由圖7可知，S11在10GHZ處衰減達(dá)到了-23dB，在9.7GHZ至10.4GHZ衰減在-20dB以下，勉強(qiáng)符合要求。由圖8可知，S21，S31，S41，S51在頻率10GHZ左右很平坦并且在-6dB左右，符合要求。但是我對(duì)S11在10GHZ的衰減還是不夠滿意，可是無論怎么優(yōu)化l6都得不到更好的結(jié)果，無奈我只好對(duì)l4的長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后的l4恰好在78的時(shí)候S11衰減最小，其S11與頻率曲線如圖9所示。

與圖7相比，很顯然在l6=78的時(shí)候S11效果更佳，S21等參數(shù)不變。優(yōu)化后的各參數(shù)如圖10表格所示。

4 結(jié)束語

通過這次仿真設(shè)計(jì)，我對(duì)于電磁仿真的學(xué)習(xí)有了更加深刻的認(rèn)識(shí)，有了一次通過理論聯(lián)系實(shí)際，來解決實(shí)際問題的經(jīng)歷。另外我們?cè)诠Ψ制麟姶欧抡嬖O(shè)計(jì)過程中，還學(xué)會(huì)了將微波技術(shù)課程中學(xué)習(xí)的理論知識(shí)運(yùn)用于實(shí)際。通過分析模型系統(tǒng)的S參數(shù)曲線，得到帶寬，插入損耗，隔離度等等參數(shù)，通過對(duì)這些參數(shù)的分析，去改進(jìn)模型中的尺寸參數(shù)，正是由于實(shí)際的操作實(shí)踐，在對(duì)實(shí)踐中出現(xiàn)的問題的思考，我們才對(duì)這些理論知識(shí)有了更加深刻的理解?？傊?，通過本次電磁仿真設(shè)計(jì)過程，我掌握了使用電磁仿真軟件設(shè)計(jì)微波器件、進(jìn)行仿真的一套很好的方法，并通過實(shí)際的操作加深了對(duì)方法的理解和掌握，學(xué)會(huì)了利用學(xué)過的理論知識(shí)去分析問題，最后找到解決問題的方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊海波.功分器的研究[D].江蘇：鹽城師范學(xué)院，2011，6

[2]韓慶文，陳世勇，陳建軍.微波電路設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社.

[3]任鴻.微波傳輸電路管理與技術(shù)要求淺析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017（35）：122+124.