三等分功分器[波导]设计详细教程

想必大家通过阅读相关文献可以发现三等分实现可以有很多不同的方法，这里采用的是先不等分再等分的方式，仅供参考。

主要指标

中心频率为280GHz，采用WR-3频段的标准波导，将2:1不等功率分配耦合器与3dB等功率分配耦合器级联，构成三等分功分器。在250GHz -310GHz频率范围内，该功分器的回波损耗S11优于22dB，幅度不平坦度在中心频率附近优于0.2dB，相对带宽达到21.4%。

设计与分析

1.1耦合器设计原理

E面分支线电桥是比较常用的耦合器形式，特别是对于强耦合（耦合度小于 10dB）的定向耦合器。如图1.1所示为典型的分支线定向耦合器，分支线电桥连接于主副波导的宽边一侧，中间分支线的宽度为 c，两侧的两条分支线的宽度为a。则主要的结构参数为：分支线宽度、长度、分支线间距和分支线数量。虽然增加分支线的数量可以提高耦合器的工作带宽，但是会导致分支线宽度变窄，所以综合考虑采取七分支结构。各相邻分支线中心的中心间距与分支线长度的初值都设为四分之一波导波长。

图1.1 分支线定向耦合器结构图

该功分器由一个2:1不等功率分配耦合器级联另一个3dB等功率分配定向耦合器得到。当一定的功率信号从第一级的输入端口输入后，先进行2:1不等功率分配，之后通过3dB 定向耦合器进行等功率分配，再从两个端口分别输出。最终，从输入端口输入的信号被均等的分配到3个输出端口，实现功率的三等分。

1.2 3dB定向耦合器设计

3dB功率等分的定向耦合器是最常见的定向耦合器，所以最开始先学习3dB定向耦合器的设计。为便于以后耦合器的设计，利用奇偶模方法分析计算了 3dB分支线电桥耦合器的分支线宽度与分支线数量之间的对应关系，中间支节的宽度设置为 gap1，两侧的支节宽度设置为 gap2。gap1 和 gap2的宽度都是相对于主波导窄边的比值，如表 1.1 所示。

这个表格我在之前的博客里也有写过，放在这供大家直接采用即可。

表1.1  3dB分支线定向耦合器分支线宽度的初值选取

中心频率对应波长为 ，截止波长为 ，所以波导波长 ，故各相邻分支线中心的中心间距与分支线长度的初值都设为四分之一波导波长0.34mm。

采用七分支的对称结构，中间五个支节的宽度设置为 gap1，两侧的两个支节宽度设置为 gap2，支节的长度设置为lam，支节之间的宽度设置为 w（支节中心间距）。因为工作在250~310GHz,所以选择了WR2.3矩形波导作为主波导。

优化后的S参数图见图1.2。由图知该耦合器回波损耗 优于23dB,  和 均为3dB，实现了功率的等分，且输出幅度不平坦度较小,性能较好。 

图1.2   3dB定向耦合器S参数图

1.3 2:1功率不等分耦合器设计

结构图和3dB定向耦合器结构图相同.

通过计算初值和参数优化，最后得到的S参数图如图1.3所示.。由图知该耦合器回波损耗 优于25dB，实现了功率的2:1不等分，性能较好。

图1.3 2:1功率不等分耦合器S参数图

1.4  整体结构及性能

基于E面分支线电桥定向耦合器的功率三等分功分器总体结构如图1.4所示，工作于250 至310GHz 频段，功分器由一个2:1功率不等分耦合器级联另一个3dB 定向耦合器得到。在工作频率内，三个输出端口均为4.8dB左右，三个输出端口的功率为输入端口的 1/3，回波损耗优于22dB，相对带宽达21.4%，功率分配效果良好。功分器的S参数图如图1.5所示。

图1.4 功率三等分功分器总体结构图

图1.5 功率三等分功分器的S参数图