四功分器和定向耦合器的设计

1、第三讲：功分器和定向耦合器设计,学习内容,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,功分器的基本原理,工作原理功分器属于无源微波器件，应用于功率的分配与合成。功分器通常采用三端口网络，常用3dB等分形式。将输入信号等分或不等分地分配到各个输出端口，并在输出端口保持相同的输出相位。常用的功分器：T型结功分器、威尔金森功分器,Pin,Pout1,Pout2,功分器的基本原理,Ka波段毫米波功率合成应用,fin,fout,Amplifier1,PowerDivider,Amplifier2,PowerCombiner,利用威尔

2、金森功分器实现2路放大器的功率合成,功分器的基本原理,威尔金森功分器电路结构端口1无反射；端口2和端口3输出电压相等且同相。端口2和端口3输出功率比值为任意指定值，通常为功率等分。为增加端口2与端口3的隔离度，在它们之间加入隔离电阻R。,输入端口特性阻抗,1,2,3,分支微带线,分支微带线特性阻抗,隔离电阻R,功分器的基本原理,威尔金森功分器微带电路基本结构,1,2,3,功分器的基本原理,功分器的基本指标输入端口回波损耗：输入端口1的反射功率Pr与输入功率Pi之比插入损耗：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1的输入功率Pi来计算,功分器的基本原理,功分器的基本指标输出端口间的隔

3、离度：根据输出端口2的输出功率P2与输出端口3的输出功率P3之比计算功分比：输出端口3的输出功率P3与输出端口2的输出功率P2之比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，即要求各个输出端口信号相位一致。,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频带范围：0.9-1.1GHz频带内输入端口回波损耗：S11-3.1dBS31-3.1dB输出端口间隔离度：S23【LineCalc】-【StartLineCalc】计算50欧姆微带线线宽计算70.7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,基片参数设置,工作频率设置,阻抗，电长度设

4、置,对应微带线宽度线长结果,功分器的设计、仿真、优化,微带线参数设置设置微带线结构参数变量,功分器的设计、仿真、优化,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,功分器的设计、仿真、优化,微带电路参数设置输出端口电路处的设置,功分器的设计、仿真、优化,设置完成的功分器电路图,功分器的设计、仿真、优化,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,功分器的设计、仿真、优化,电路优化对阻抗匹配电路的优化-优化变量w2，lh,功分器的设计、仿真、优化,电路优化优化仿真器和优化目标的设置由于电路对称性，S(3,1)和S(3,3)不需优化,输入端口回波,输出端口回波,插入损耗,输出端

5、口隔离度,功分器的设计、仿真、优化,加入优化元件后的电路拓扑,功分器的设计、仿真、优化,优化后的仿真结果,满足设计指标！,功分器的设计、仿真、优化,版图的生成与仿真,显示生成版图有效元件数目等信息,输入端口1,输出端口2,输出端口3,功分器的设计、仿真、优化,版图的生成与仿真,输入端口1,输出端口2,输出端口3,功分器的设计、仿真、优化,版图的S参数仿真,功分器的设计、仿真、优化,版图的S参数仿真结果,功分器的设计、仿真、优化,小结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版图的仿真设计,定向耦合器的基本原理,定向耦合器基本工作原理定向耦合器属于无源微波器件，为四

6、端口器件，分为：,微带耦合线耦合器,波导定向耦合器,输入,耦合,直通,隔离,输入,耦合,直通,隔离,定向耦合器的基本原理,定向耦合器基本工作原理,波导定向耦合器,输入,耦合,直通,隔离,定向耦合器的基本原理,定向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合成。常用定向耦合器：Lange耦合器（交指耦合器）应用于耦合较强的情况，通常设计为3dB耦合；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。,定向耦合器的基本原理,Lange耦合器基本工作原理,90度相位差,金丝焊接,定向耦合器的基本原理,Lange耦合器的耦合系数耦合系数用C表示

7、，影响耦合系数的参数有：耦合线宽与基板厚度比W/H耦合缝隙宽度与基板厚度比S/H基板介电常数导体厚度与基板厚度比T/H,耦合缝隙宽度与基板厚度比S/H，导体厚度与基板厚度比T/H对耦合系数C有较大影响。,定向耦合器的基本原理,定向耦合器基本指标耦合度：耦合端口3输出功率P3和输入端口1输入功率P1之比：隔离度：隔离端口4的输出功率P4和输入端口1的输入功率P1之比：,定向耦合器的基本原理,定向耦合器基本指标定向度：隔离端口4输出功率P4和耦合端口3输出功率P3之比：插入损耗：直通端口2的输出功率P2和输入端口1的输入功率P1之比：,定向耦合器的基本原理,定向耦合器基本指标输入驻波比：端口2、3

8、、4都接匹配负载时，输入端口1的驻波比：工作带宽：定向耦合器C、I、D等参数满足要求的工作频率范围,定向耦合器的仿真设计,定向耦合器设计指标频带范围：0-20GHz中心频点：12GHz在8-16GHz倍频程内输入驻波比小于1.2在中心频点12GHz处插损和耦合度：-3.1dBS21=S31-2.9dB8-16GHz倍频程内定向度：S41/S31-17dB8-16GHz倍频程内隔离度：S41-20dB,定向耦合器的仿真设计,建立耦合器设计的电路原理图,直通端口,耦合端口,输入端口,隔离端口,定向耦合器的仿真设计,建立耦合器设计的电路原理图,W/H=0.107,S/H=0.071,直通端口与耦合端口相位差,直通端口,耦合端口,输入端口,隔离端口,定向耦合器的仿真设计,经验初值的仿真结果,定向耦合器的仿真设计,耦合器的参数优化优化微带线线宽w(0.02-0.0508mm)；和缝间距s(0.02-0.038mm),插入损耗,耦合度,隔离度,定向耦合器的仿真设计,优化后的仿真结果,定向耦合器的版图仿真,版图的