多频带射频功率分配器_毕业论文(编辑修改稿)

多频带射频功率分配器_毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

功率的分配和合成，在超宽带短脉冲电磁场应用中，采用阵列天线的技术提高探测距离是较为理想的选择，阵列天线的关键技术——功分器的研制就相当重要。 功分器全称功率分配器，英文名Power divider，是一种将一路输入信号功率分成两路或多路输出相等或不相等能量的器件，也可反过来将多路信号能量合成一路输出，此时可也称为合路器。 在现代电子通信领域,特别是微波电路中, 为了将功率按一定的比例分成两路或者多路，需要使用功率分配器。 功分器广泛应用于雷达、多路中继通信机等大功率器件等微波射频电路中。 1960年，Ernest J. Wilkinson发表了名为An Nway Hybird Power Divede的论文中介绍了一种在所有端口均匹配、低损耗、高隔离度、同相的N端口功分器,即威尔金森功分器。 Wilkinson功分器有单频带和多频带,本文是基于三频带设计的多频带射频功率分配器。 此前，紧凑的非均匀传输线变压器（shamaileh et al.，2011）和非对称耦合线部分（Wu amp。 Liu，2011）已被用来设计新的功率分配器。 chongcheawchamnan等人在2006，从任意双频操作的基本概念延伸，提出了一个基于三段传输线变压器的三波段功率分配器。 2013年1月，北京邮电大学电子工程学院吴永乐等人，发表了《一种基于耦合线的新型紧凑型三带威尔金森功分器》的论文。 本文以ADS2009仿真软件为工具，设计研究威尔金森三频带等分功率分配器。 不同于三波段功率分配器使用三段传输线实现的传统电路，本文研究的是由三节耦合线和三隔离电阻组成的电路。 通过本文的理论研究和试验验证，要对比研究功分器的技术指标:通带内各端口反射系数、通带内两输出端口的隔离度、通带内传输损耗、通带内功分比、通带内相位平衡度。 1 多频带射频功率分配器原理分析 功分器的产生与发展在实际应用中，有时需要将信号源的功率分别馈送给若干个分支电路（负载），例如将发射机的功率分别馈送给天线的很多个辐射单元，就是说，进行功率分配。 在近代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，而且功率分配器常是成对的使用，先将功率分成若干份，然后分别放大，再合成输出。 1960年，Ernest J. Wilkinson发表了名为An Nway Hybird Power Divede的论文中介绍了一种在所有端口均匹配、低损耗、高隔离度、同相的N端口功分器,即威尔金森功分器。 最初它的原始模型是同轴形式，此后在微带和带状线结构上得到了广泛地应用和发展，工程中大量使用的是微带线形式，大功率情况下也会用到空气带状线或空气同轴线形式。 目前常见的微波功分器是采用微带线或腔体波导等结构的分布参数功分器。 腔体波导功分器插损小、平衡度好，但隔离度较差，制作工艺较复杂，微带功分器制作简单，但相对带宽较小。 而且以上分布参数功分器仅限于微波波段的窄频带应用，在微波频段以下，小型化、宽带功分器的制作比较困难。 国内研究进展国内对于微带功分器方面的技术研究报道还甚少，钟哲夫曾在空间合成高功率微波方面做了一些深入探讨，提出每支常规大功率管子供给一个输出喇叭、多支喇叭组成阵列,使辐射场在空间合成高功率微波束，重点研究了各种馈源输出喇叭阵列合成性能。 汪海洋曾对高功率合成的关键技术，如锁相源、高功率移相器、功率合成器进行了讨论分析。 并结合实验室实际情况，提出了以三端口输出相对论磁控管作为相干高功率微波源进行高功率合成技术研究的方案。 理论计算和仿真软件ADS结合，设计了一种高功率微波介质移相器和波导型功率合成器，给出了具体设计参数。 国内其他学者对功率合成技术也进行了相关研究。 2013年1月，北京邮电大学电子工程学院吴永乐等人，发表了《一种基于耦合线的新型紧凑型三带威尔金森功分器》的论文。 文章中对三带威尔金森功分器的理论研究给出了详细介绍。 功分器的理论（原理）简单的二等分功分器属于三端口网络。 由于普通的无耗互易三端口网络不可能达到完全匹配，且输出端口间无隔离。 而工程上对信号之间的隔离要求很高，因此需采用混合型功率分配器，即威尔金森型功率分配器。 Wilkinson的理论主要是在简单功分器中引入了隔离电阻，从而实现信号链路匹配和高度隔离。 它的原理在于引入隔离电阻后，功分器变为有耗的三端口网络。 从三端口网络的基本性质可知，有耗三端口网络可以做到完全匹配且输出端口之间具有隔离，从而改善了普通功分器的不足。 同样，该类型的功分器可以实现任意功率分配比，且可方便地用微带线或带状线来实现。 简单原理图如下：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，由能量守恒定律可知道P1=P2+P3。 图11简单原理图一分为二功分器是三端口网络结构，如图1所示。 信号输入端的功率为P1,而其他两个端口的功率分别为P2和P3。 由能量守恒定律可知P1= P2+ P3 ,如果P2（dBm）=P3(dBm)，三端口功率间的关系可写成P2（dBm）=P3(dBm)= P1（dBm），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,功分器可分为等分型（P2=P3）和比例型（P2=kP3）两种类型。 本文研究的是等分型功率分配器，当P2=P3时的情况。 理论基础依据即由能量守恒定律P1=P2+P3。 功分器的技术指标功分器的主要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、支路端口间的隔离带、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，功分器的设计结构与工作频率密切相关。 必须首先明确功分器的工作频率，才能进行下面的设计。 （2）承受功率 在功分器（合成器）中，电路元件所能承受的最大功率是核心指标，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分器的主路分配比Ad有关。 其定义为Ad=10logPinPout（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产生的。 考虑输入端的驻波比所带来的损耗，插入损耗Ai定义为Ai=AAd,A是在其他支路端口接匹配负载，主路到某一支路间的传输损耗，其为实测值。 A在理想状态下为Ad。 在功分器的实际工作中，几乎都是用A作为研究对象。 （5）隔离带 支路端口间的隔离带是功分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，这就是求支路之间有足够 的隔离度。 在主路和其他支路都接匹配负载的情况下，i端口和j端口的隔离度定义Aij=10logPiniPoutj。 隔离度的测量也可按照这个定义进行（6）驻波比 每个端口的电压驻波比越小越好。 2 多频带射频功率分配器设计方案 威尔金森功分器设计原理图分析图21简单功分器模型输入信号功率P1经过特性阻抗为Z1e,Z2e,Z3e的传输线到上端口输出功率P2，经过传输线Z10，Z20，Z30的传输线到下端口输出功率P3。 其中R1，R2，R3起到阻抗隔离的作用，是隔离电阻。 无耗T型结分配器不能在全部端口匹配，另外在输出端口之间没有任何隔离。 工程中，得到更为广泛应用的是威尔金森功率分配器，它是这样一种网络：当输出端口都匹配时，它仍具用无耗的有用特性，只是散射了反射功率，这种功率分配器原始模型是同轴形式，经常用微带线形式实现。 威尔金森功率分配器有两路、三路、多路情况，下面介绍两路情况。 根据微波工程的理论可知，有耗三端口网络可制成全部端口匹配，并在输出端口之间有隔离。 Wilkinson功分器就是这样一种网络。 Wilkinson功分器可制成任意比例功分器，但一般考虑等分情况。 图3给出了相应的等效传输线电路。 可以利用这个较简单的电路（在输出端口用对称和反对称源驱动）对电路进行分析。 图22简单等分功分器，比例输入功率 设端口3和端口2的输出功率比为K2，即 K2=P3P2 (11)由于端口1到端口2与端口1到端口3的线长度相等，故端口2的电压V2与端口3的电压V3相等，即V2=V3。 又端口2和端口3的输出功率与电压关系为 P2=U22Z2P3=U32Z3 （12）将上式代入式（11） U32Z3=K2U22Z2 (13)即 Z2 = K2Z3 (14)式中，Z2 、Z3为端口2和端口3的输入阻抗，若选 Z2=KZ0Z3=Z0K （15）则可以满足式（14），为了保证端口1匹配，应该 1Z0=Z2Z022+Z3Z0321Z0=KZ0Z022+Z0KZ032 (16)同时考虑到 Z022Z2=K2Z032Z3 （17）则 1Z0=（K2+1）Z3Z032=（K2+1）Z0Z032 （18）所以 Z03=1+K2K3Z0Z02=K（1+K2）。