双频及宽带功率分配器的研究与设计

南京理工大学 硕士学位论文 双频及宽带功率分配器的研究与设计 姓名：王丹阳 申请学位级别：硕士 专业：通信与信息系统 指导教师：唐万春 20090603 硕士论文双频及宽带功率分配器的研究与设计 摘要 功率分配器( 简称功分器) 是一种非常重要的微波无源器件，具有功率分配或功率组 合的功能，它被广泛的应用于平衡功率放大器、平衡混频器和天线阵列等射频电路中。 传统常用的威尔金森功分器只能工作在单一频段和其奇次谐波处，由于它工作频率和工 作带宽的局限已经不能满足现代无线通信的双频段、多频段或者宽带的要求。本文提出 的新型双频和宽带功分器能够很好地克服这些缺点，从而满足现代无线通信系统的要 求。 首先，本文介绍了阻抗变变换器和威尔金森功分器的基本特性和工作原理，进而详 细的分析了双节结构双频功分器、加载分支线结构双频功分器、小型化超宽带( u w B ) 功分器和2 1 8 G H z 宽带功分器的设计原理；基于基本传输线理论和微波网络理论，给 出了各个功分器的设计参数。 然后，根据各个设计参数在全波仿真软件中分别建立了上述四种不同类型功分器的 仿真模型，并对其进行了仿真分析，设计了功分器的电路版图，制作了功分器实物。 最后，利用矢量网络分析仪对功分器实物进行了测试。将仿真结果和实验结果进行 了比较和分析，验证了所提出的四种不同类型功分器的可行性。 关键字：功分器，双频，超宽带 A b s t r a c t 硕士论文 A b s t r a c t T h ep o w e rd i v i d e ri sav e r yi m p o r t a n tm i c r o w a v ep a s s i v ec o m p o n e n tw h i c hc a l ld i v i d e a n dc o m b i n et h ep o w e ro fs i g n a l s I nm a n ym i c r o w a v ec i r c u i t s ，t h ep o w e rd i v i d e rh a sb e e n a p p l i e d t o b a l a n c e a m p l i f i e r , b a l a n c em i x e r ,a n t e n n a a r r a y a n dS Oo n I t i sg e n e r a l l ya c k n o w l e d g e dt h a tac o n v e n t i o n a lW i l k i n s o np o w e rd i v i d e ro p e r a t e so n l ya to n e d e s i g n e df r e q u e n c ya n di t so d dh a r m o n i c s ，i ti sn o ts u i t a b l ef o rs o m ed u a l - b a n do rw i d e b a n d o p e r a t i o n s R e c e n t l y , t h ed u a l - b a n do rw i d e b a n dp o w e rd i v i d e r s a r ed e v e l o p e db ym a n y r e s e a r c h e r s I nt h i sa r t i c l e ，t w on o v e ld u a l - b a n dp o w e rd i v i d e r sa n dt w on o v e lw i d e b a n d d i v i d e r sa l ep r o p o s e d ，w h i c ha l lC a ns a t i s f yt h ed e m a n do fd u a l - b a n do rw i d e b a n di nm o d e r n w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s F i r s to fa l l ，t h ei m p e d a n c et r a n s f o r m e ra n dW i l k i n s o np o w e rd i v i d e ra r ei n t r o d u c e d b r i e f l y T h e n , f o u rk i n d so fp o w e rd i v i d e r sa r ea n a l y z e di nt h ea r t i c l e ，ad u a l b a n dp o w e r d i v i d e ri nt w os e c t i o n s ，as t u bt a p p e db r a n c h - l i n ed u a l - b a n dp o w e rd i v i d e r , a nu l t r a - w i d e b a n d ( U W B ) p o w e rd i v i d e ra n da2 18 G H zp o w e rd i v i d e r B a s e do nt h et r a n s m i s s i o nl i n e a n dm i c r o w a v en e t w o r kt h e o r y , t h ef o r m u l a su s e dt od e t e r m i n et h ed e s i g np a r a m e t e r sa r ea l s o g i v e n S e c o n d l y , t h em i c r o s t r i pp o w e rd i v i d e r sa res i m u l a t e da n da n a l y z e db yt h ef u l lw a v e a n a l y s i ss o f t w a r e T h e mt h el a y o u t so ft h e s ed i v i d e r sa r ed e s i g n e da n df a b r i c a t e d F i n a l l y , t h ep o w e rd i v i d e r s a lem e a s u r e db yt h ev e c t o rn e t w o r ka n a l y s i s G o o d a g r e e m e n t sb e t w e e nt h es i m u l a t e da n dm e a s u r e dr e s u l t sa r eo b t a i n e da n dv e r i f yt h ef e a s i b i l i t y o ft h ep r o p o s e dp o w e rd i v i d e r s K e yw o r d ：p o w e rd i v i d e r , d u a l - b a n d ，U W B 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：年月 日 硕士论文双频及宽带功率分配器的研究与设计 1 绪论 1 1 课题背景及其意义 功率分配器( 简称功分器) 是一种重要的微波无源器件，用于功率的分配和功率的组 合。它可以是有耗或者无耗的三端口器件，经常采用T 型结的形式来实现。在功率分配 中一个输入信号被功分器分成两个或多个较小的功率信号，如图1 1 ( a ) 所示；在功率组 合中，两个或多个较小的输入信号被组合成一个较大的功率信号，如图1 1 ( b ) 所示。功 分器经常是3 d B 等分形式，但也有不等的功分比。 功分器这类器件的基本原理与设计技术的大量文献已相继出现，从六七十年代到现 今阶段，已涌现了从立体结构到平面结构，从窄带到宽带器件的大量研究成果，并且这 些成果已广泛应用于微波工程技术领域，如平衡功率放大器、平衡混频器和天线阵列等 微波电路中。实际上，功分器可以用任意类型的传输线来实现，微带结构的功分器因其 结构紧凑、性能稳定、成本低、易实现双频段或宽频段等特点而在微波技术领域有着极 其广泛的应用，本文所提出四种新型功分器都是采用微带线结构来实现的。 P 2 = a P l P 3 - = ( 1 - c ：t ) P I 恐 P 3 ( a )( b ) 图1 1 功率的分配和组合( a ) 功率分配；( b ) 功率组合 威尔金森( W i l k i n s o n ) 功分器是微波射频电路中一种重要的无源器件，随着通信技术 的迅猛发展和通信行业竞争的加剧，对W i l k i n s o n 功分器的性能也提出了新的要求。而 传统的W i l k i n s o n 功分器只能工作在单一的频段及其奇次谐波处，已经远远不能满足现 代无线通信的双频、多频和宽带的要求。近年来，研究体积小、损耗低、隔离度好的双 频或宽带功分器已成为热点之一，因此开展双频或者宽带功分器的研究具有很重要的现 实意义和价值。2 0 世纪5 0 年代中期到6 0 年代，最早提出的W i l k i n s o n 功分器是利用四 分之一波长传输线的阻抗变换特性来实现的【l 】，但是由于其工作频段和工作带宽等局 限，已经不能适应现代无线通信的双频和宽带的要求。随后，又提出了一系列新型的双 频和宽带功分器，其中比较常见的是通过增加功分器的串联节数、增加分立支节和利用 耦合线段宽带特性等方法来实现功分器的双频或者宽带特性【2 4 1 。但是这些方法会带来 电路尺寸偏大，不便加工和制作等缺点。 当前，随着移动通信技术的迅猛发展，微波频段变得越来越拥挤，同时射频电路的 集成化要求程度也越来越高，除了要求优良的性能外，还提出了低成本、低损耗、小体 l 绪论硕士论文 积和轻质量的要求，因此能够同时在两个频段甚至多个频段进行信号传输的多频系统或 者宽带系统已成为目前的研究热点之一。 本文主要对双频和宽带技术进行了深入的研究，研制了双节结构双频功分器、加载 分支线结构双频功分器、小型化U W B 功分器和2 1 8 G H z 宽带功分器四种不同类型的功 分器，它们在通带内具有良好的传输特性、匹配度和隔离度，加上采用的是微带结构， 具有结构简单、制作方便、设计精确灵活等优点。 1 2 本课题的主要工作 本文的研究内容是以双频或者宽带技术在现代无线通信系统中的应用为背景，对双 频和宽带功分器进行了深入的系统研究。各章的主要研究内容概述如下： 第1 章主要介绍了功分器的研究背景和发展概况，提出了研究双频和宽带功分器 的必要性。 第2 章分析了功分器设计的基本原理，主要介绍了阻抗变换器的工作原理、传统 常用的W i l k i n s o n 功分器的基本理论和设计方法。 第3 章利用基本传输线理论对双节结构双频功分器进行了分析，基于奇偶模分析 法给出了功分器中各段微带线和隔离电阻的计算公式；然后，针对双节结构双频