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                                    一分四功率分配器的参数设计与仿真

                                    添加时间:2018/06/25 来源:未知 作者:论文定制
                                    功分器的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、支路端口间的隔离度、每个端口的电压驻波比等.
                                    以下为本篇论文正文:
                                      摘 要:在微波电路中, 功分器是将一路功率按照比例分为两路或多路分支, 这种器件叫功分器。功分器的实现方式有很多种, 可以用微带线、共面波导、槽线、不对称共面带线等传输线实现。文章对功分器的应用及参数进行了简单介绍, 利用CST仿真软件对一分四功分器进行设计, 着重讲述了功分器设计中的参数计算和优化过程。
                                      
                                      关键词:微波; 功分器; 电磁仿真; 损耗; 参数优化;
                                      
                                        


                                     
                                      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.
                                      
                                      Keyword: microwave; power divider; electromagnetic simulation; loss; parameter optimization;
                                      
                                      1、功分器的介绍
                                      
                                      功率分配器是一种在现代通信中广泛应用的微波无源器件, 被广泛应用于通信、雷达以及电子站等电子系统中。它的基本功能是将一路信号输入能量分成两路或多路输出相等或不相等的能量, 一般每分一路都有几d B的衰减, 信号频率不同, 分配器不同, 衰减也不同。一个功分器的输出端口之间应保证一定的隔离度。反过来, 将多路信号能量合成一路输出, 此时也可称为合路器。近年来, 在系统需要的牵引下, 功率分配器正朝着宽频带、低插损以及高功率方向发展。传统的微带传输线功分器 (如威尔金森、分支线电桥、环形电桥等) , Q值低, 易实现宽带, 但具有损耗大、功率容量小等缺点, 基于波导传输结构的功率分配器损耗小于普通的平面传输线, 具有功率容量大等特点, 因此被广泛应用于高功率场合[1].
                                      
                                      2、功分器的技术指标
                                      
                                      功分器的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、支路端口间的隔离度、每个端口的电压驻波比等[2].
                                      
                                      2.1、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。必须首先明确分配器的工作频率, 才能进行下面的设计。
                                      
                                      2.2、承受功率
                                      
                                      在大功分器/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线。
                                      
                                      2.3、分配损耗
                                      
                                      主路到支路的分配损耗实质上与功分器的功率分配比有关。如两等分功分器的分配损耗是3d B, 四等分功分器的分配损耗是6d B.
                                      
                                      2.4、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, 考虑输入端的驻波比所带来的损耗。
                                      
                                      2.5、隔离度
                                      
                                      支路端口间的隔离度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, 这就要求支路之间有足够的隔离度。
                                      
                                      2.6、驻波比
                                      
                                      每个端口的电压驻波比越小越好。
                                      
                                      3、功分器的设计过程
                                      
                                      本课程设计主要是使用电磁仿真软件设计并仿真一款工作于中心频率为10GHz的金属波导一分四平均功率分配器。这次仿真我采用的是CST仿真软件, 设计的三维结构仿真模型如图1所示。
                                      
                                      整个模型是对称结构, 由三层构成, 整体看起来形同一把吉他。电磁波由第一层的1端口进入, 到达隔板l6处平均分配, 然后由第二层进入第三层, 在隔板l3处再次分别一分为二, 由于整个结构是对称的, 所以达到一分四平均分配的结果, 其原理如图2所示。
                                      
                                      各个部分参数如下所示, 其中a, b分别对应波导端口的长和宽, t为波导壁的厚度, 其他参数l1, l2, l3, l4, l5, l6分别对应于上图的各处长度, 设定的各参数大小如下图表格所示:
                                      
                                      图1
                                      
                                      
                                      
                                      图2
                                      
                                      
                                      
                                      图3 优化前设定的各参数大小
                                      
                                     
                                      
                                      在构建了整体模型后, 我仿真的第一步是制作出一分二模型, 其结构如图4所示, 粗略的仿真出一分二模型后, 需要对模型进行优化, 此次优化即是对参数l3的优化, 首先我对l3进行了大致的扫描以确定满足要求的l3值范围, 然后在效果比较好的几个样点进行了几次优化以得到最为理想的结果。优化后的l3长度见图3, 优化后的S11示意图如图5所示, 根据仿真结果在频率为10GHZ左右衰减达到了-20d B以下, 优化后的S21, S31示意图相同并且如图6所示, 在10GHZ左右衰减为-3d B左右, 所以是平均分配, 符合要求。
                                      
                                      图4
                                      
                                      
                                      
                                      图5
                                      
                                      
                                      
                                      图6
                                      
                                      
                                      
                                      在一分二模型成功的优化完毕后, 采用镜像复制的方法复制出一个并在一起的相同的单元, 并在其上端接上一个一分二模型, 最终得到图1所示的模型。接下来对图2中的l6进行优化, 优化的过程如一分二的优化一样, 优化后的l6如图3表格所示, 优化的结果S11与频率关系曲线图如图7, S21, S31与频率关系曲线图如图8所示。由于4, 5端口是又2, 3端口镜像复制得到, 所以互相相等, 即S21, S31, S41, S51相等。
                                      
                                      图7
                                      
                                     
                                      
                                      图8
                                      
                                      
                                      
                                      由图7可知, S11在10GHZ处衰减达到了-23d B, 在9.7GHZ至10.4GHZ衰减在-20d B以下, 勉强符合要求。由图8可知, S21, S31, S41, S51在频率10GHZ左右很平坦并且在-6d B左右, 符合要求。但是我对S11在10GHZ的衰减还是不够满意, 可是无论怎么优化l6都得不到更好的结果, 无奈我只好对l4的长度进行优化。优化后的l4恰好在78的时候S11衰减最小, 其S11与频率曲线如图9所示。
                                      
                                      图9
                                      
                                     
                                      
                                      图1 0 优化后的各参数大小
                                      
                                      
                                      
                                      与图7相比, 很显然在l6=78的时候S11效果更佳, S21等参数不变。优化后的各参数如图10表格所示。
                                      
                                      4、结束语
                                      
                                      通过这次仿真设计, 我对于电磁仿真的学习有了更加深刻的认识, 有了一次通过理论联系实际, 来解决实际问题的经历。另外我们在功分器电磁仿真设计过程中, 还学会了将微波技术课程中学习的理论知识运用于实际。通过分析模型系统的S参数曲线, 得到带宽, 插入损耗, 隔离度等等参数, 通过对这些参数的分析, 去改进模型中的尺寸参数, 正是由于实际的操作实践, 在对实践中出现的问题的思考, 我们才对这些理论知识有了更加深刻的理解。总之, 通过本次电磁仿真设计过程, 我掌握了使用电磁仿真软件设计微波器件、进行仿真的一套很好的方法, 并通过实际的操作加深了对方法的理解和掌握, 学会了利用学过的理论知识去分析问题, 最后找到解决问题的方法。
                                      
                                      参考文献:
                                      
                                      [1]杨海波。功分器的研究[D].江苏:盐城师范学院, 2011, 6
                                      [2]韩庆文, 陈世勇, 陈建军。微波电路设计[M].北京:清华大学出版社。
                                      [3]任鸿。微波传输电路管理与技术要求浅析[J].科技创新与应用, 2017 (35) :122+124.
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