摘 要随着现代电子和通讯技术的快速发展，电子信息之间的交流越来越频繁，电子电器设施深入到社会家庭的各个方面各个领域，频谱资源的日益紧张和用户群的快速增长，对电子通讯领域的发展提出了更高的要求，功率分配器作为微波毫米波电路系统中的重要组成部分，广泛的应用于微波通讯领域，本文主要研究了一种平面一分三威尔金森功分器的设计方案，包括对称的一分三功分器和不对称的一分三功分器的研究，对于对称的一分三功分器选用共面波导来作为平面传输的输入输出端口和信号线的结构，使用ADS软件Linecal部分对功分器尺寸参数进行模拟，并通过HFSS仿真软件检验在模拟尺寸下功分器的的性能，不断变换器件尺寸，使其性能达到最优。在对称的一分三功分器尺寸满足设计要求后，使用一个对称和一个不对称的一分二功分器的组合来构成一个不对称一分三功分器，选用平面微带线作为输入输出端口和信号线的结构，通过把器件尺寸设为变量来不断改变其器件尺寸，找到最优的仿真结果，使功分器性能达到最优，满足其工作中心频率为10GHZ，输入端口的回波损耗在小于-10dB左右，输出端口的回波损耗小于-12dB，输入输出之间的插入损耗在-4.7dB左右，各个输出端口之间隔离度越小越好，基本小于-13dB。
目录
摘 要 I
ABSTRACT II
目录 III
第一章 绪论 1
1.1 功分器设计背景以及意义 1
1.2 国内外的研究现状 2
1.3 功分器的基本原理 4
1.4 设计思路与安排 8
1.5 本章小结 9
第二章 功分器性能参数及仿真软件的介绍 10
2.1 功分器性能参数 10
2.1.1 频率范围 10
2.1.2 反射系数 10
2.1.3 插入损耗 10
2.1.4 隔离度 10
2.2 S参数矩阵的介绍 11
2.3 HFSS仿真软件的介绍 12
2.4 本章小结 13
第三章 对称的一分三功分器 14
3.1 功分器建模 14
3.2 基本的参数设计 16
3.3 带参数的功分器的仿真 19
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3.4 参数的优化以及仿真结果 21
3.5 本章小结 23
第四章 不对称的一分三功分器 24
4.1 功分器建模 24
4.2 基本参数设计 25
4.3 带参数的功分器仿真 26
4.4 参数的优化以及仿真结果 27
4.5 本章小结 29
第五章 总结展望 30
5.1 总结 30
5.2 展望 31
致 谢 32
参考文献 33
附录 36
科技文献翻译 36
绪论
功分器设计背景以及意义
1960年Ernest J.Wilkinson发表论文[2] “An NWay Hybrid Power Divider”，这篇文章中，讲述了一种所有任意端口都匹配并且隔离度高、损耗低、同相的N端口功率分配器，后来人们将该类型功率分配器称为Wilkinson功分器。Wilkinson功分器一开始的结构式以同轴形式[19]，到如今Wilkinson功分器的在微带线与带状线的结构上也得到了很大的发展与运用。
功率分配器是将主干道的信号功率分成几路相等或者不相等的几路信号功率输出的一种N端口电路结构[1]，在各种雷达天线系统中，都可以涉及到它的应用，功分器按照其输入功率的分配比例，可以分为奇等分和偶等分两种[21]，对于偶等分的功分器，只需要在最原始的一分二功分器上在对其实施等分就可以了，而相对于奇等分来说，可以对它先增加一条线路等分，然后再对其中一条线路加上负载，但街上负载的一端可能会影响到其他端口的相幅，插入损耗也会有点大。
伴随着现代科技的飞速发展，在无线电通讯的这块领域[3]，各种通讯系统中的载波频率越来越大，电子器件以及电路设计向着微型化功耗低发现，继而微带技术发挥了它的优势，功分器的功率分配将大大提高整个电路系统的质量。
功分器在通讯系统中拥有拥有广泛的应用空间[33]，通常我们在设计传输电路时，常常会需要把一些给定的输入信号频率按照一定的比例分配传输到N条支路当中，以达到整个电路系统的高性能运作。
为了设计性能优良的三功分器，首先需要学习微波传输理论并且熟悉HFSS仿真的操作流程。本文主要介绍功分器的原理、结构、分类，以及仿真软件HFSS的操作，最终得到我们所需要研究的功分器的各项S参数。
本课题将对平面一分三功分器进行仿真研究，并且实现不同结构下一分三功分器在性能上的差异，使得在不同环境下选用不同结构的功分器。
国内外的研究现状
作为一种能耗低的无源器件[4]，功分器被广泛的应用于微波和毫米波的系统当中，把输入信号的功率按一定比例分配到各个支路当中，最近几年，基于平面传输线的功分器设计有了飞跃的发展，例如在天线阵技术的馈电网络[7]，通过功分器可以把功率分配到各个列阵单元，其功分比例和传输线的布局将会直接影响整个天线的性能[20]，所以在设计当中，必须要把微型化，驻波，相位，各端口的匹配和加工精度加入考虑范围之内，现阶段，大部分资料记载的都是一分二功分器的设计。
对于功分器的设计，可以采用腔体或者微带的方法[5]。相对于微带方法，腔体拥有较小的插入损耗，较大的功率容量，但是隔离度有所欠缺，而微带的则拥有灵活的特性，目前最多的还是以威尔金森功分器为主流的设计思想。
威尔金森功分器因为其自身特性优势[34]，被广泛的应用于微波毫米波系统当中，其分配的功率可以使对称或者不对称的，威尔金森功分器一般被应用于低频率波段，比例X波段，当频率再高时，就会出现一些问题，例如隔离电阻的尺寸和支路的间隔问题将会影响我们需求的功率分配比例[6]。
对于本文中涉及的一分三功分器的发展，早在1960年，威尔金森发表的“An NWay Hybrid Power Divider”中就提出了1分N功分器的研究，其N路混合功分器原理如图1.1所示


　　　　　 图1.1
如图1.1所示，如果通过一个内部电阻为
的信号源施加一个电压Ｖ到端口１，因为对称结构，加在其他输出端的电压
都是相等的，使每条信号传输线是四分之一波长长[18]，根据传输线方程可以得到：
对于支路１来说：

　　　　　　


对于支路ｎ来说：
　　　　
　　　 　　 （1）
　　　　

同理可以得到：







　　　　　　　　　 　　　　　（2）
结合（１）（２），可以得到关于未知电压
的方程组：





　 　 （3）　 　　　
为了实现支路的完美隔离，Ｖｎ＝０，根据（3），可以变换计算得到：
　　　　　　


　　　　　 　　　　　　　　　　　 （4）
通过比较输出导纳，可以得到：

（5）
联立方程（４）（５），得到：



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