第九章 功率分配器的設計與仿真

1、,第九章功率分配器的設計與仿真,【本章重點】,功分器的原理及技術(shù)指標集總參數(shù)功分器的設計及仿真Wilkinson功分器的設計及仿真,第九章 功率分配器的設計與仿真在射頻/微波電路中，為了將功率按一定比例分成兩路或多路，需要使用功率分配器（簡稱功分器）。反過來使用的功率分配器是功率合成器。在近代射頻/微波大功率固態(tài)發(fā)射源的功率放大器中廣泛地使用功分器，而且通常功分器是成對使用，先將功率分成若干份，然后分別放大，再合成輸出。在

2、20世紀40年代，MIT輻射實驗室（Radiation Laboratory）發(fā)明和制造了種類繁多的波導型功分器。它們包括E和H平面波導T型結(jié)、波導魔T和使用同軸探針的各種類型的功分器。在20世紀50年代中期到60年代，又發(fā)明了多種采用帶狀線或微波技術(shù)的功分器。平面型傳輸線應用的增加，也導致了新型功分器的開發(fā)，諸如Wilkinson分配器、分支線混合網(wǎng)絡等。本章分析功分器的設計方法，并利用ADS2009設計中心頻率為750MHz的集總

3、參數(shù)比例型功分器和中心頻率為1GHz的集總參數(shù)等分型功分器，進而給出中心頻率為1GHz分布參數(shù)（Wilkinson）功分器的電路和版圖設計實例。,圖9-1 功分器意圖,9.1功分器的基本原理,,一分為二功分器是三端口網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，如圖9-1所示。信號輸入端的功率為P1，而其他兩個端口的功率分別為P2和P3。由能量守恒定律可知P1= P2+ P3 （9-1）如果P2（dBm）=P3(dBm)，三端口功率間的關(guān)系可寫成

4、P2（dBm）=P3(dBm)= P1（dBm）-3dB當然，P2并不一定要等于P3，只是相等的情況在實際電路中最常用。因此，功分器可分為等分型（P2=P3）和比例型（P2=kP3）兩種類型。,9.11主要技術(shù)指標 功分器的主要技術(shù)指標包括頻率范圍、承受功率、主路到支路的分配損耗、 輸入輸出間的插入損耗、支路端口間的隔離帶、每個端口的電壓駐波比等。（1）頻率范圍這是各種射頻/微波電路的工作前提，功分器的設計結(jié)構(gòu)與工

5、作頻率密切相關(guān)。必須首先明確功分器的工作頻率，才能進行下面的設計。（2）承受功率,在功分器/合成器中，電路元件所能承受的最大功率是核心指標，它決定了采用什么形式的傳輸線才能實現(xiàn)設計任務。一般地，傳輸線承受功率由小到大的次序是微帶線、帶狀線、同軸線、空氣帶狀線、空氣同軸線，要根據(jù)設計任務來選擇用何種傳輸線。（3）分配損耗主路到支路的分配損耗實質(zhì)上與功分器的主路分配比Ad有關(guān)。其定義為,（9-2）式中,例如兩等分功分器的分配損

6、耗是3dB，四等分功分器的分配損耗是6dB。（4）插入損耗輸入輸出間的插入損耗是由于傳輸線（如微帶線）的介質(zhì)或?qū)w不理想等因素產(chǎn)生的?？紤]輸入端的駐波比所帶來的損耗，插入損耗Ai定義為,（9-3）A是在其他支路端口接匹配負載，主路到某一支路間的傳輸損耗，其為實測值。A在理想狀態(tài)下為Ad。在功分器的實際工作中，幾乎都是用A作為研究對象。（5）隔離帶支路端口間的隔離帶是功分器的另一個重要指標。如果從每個支路端口輸入功率只能從主

7、路端口輸出，而不應該從其他支路輸出，這就是求支路之間有足夠的隔離度。在主路和其他支路都接匹配負載的情況下，i口和j口的隔離度定義,,（9-4）隔離度的測量也可按照這個定義進行。（6）駐波比每個端口的電壓駐波比越小越好。,9.2集總參數(shù)功分器設計及仿真9.2.1等分型功分器 根據(jù)電路使用元件的不同，功分器可分為電阻式和L-C式兩種類型。1. 電阻式電阻式電路僅利用電阻設計，按結(jié)構(gòu)分成Δ形和Y形，圖9-2所示。,,,

8、(a) Δ形 (b) Y形圖9-2 電阻式功分器,圖9-2中Z0是電路特性阻抗，在高頻電路中，不同頻段的特性阻抗不同。這種電路的優(yōu)點是頻寬大，布線面積小，設計簡單；缺點是功率衰減較大（6dB）。如圖9-2（b）所示，設Z0=50Ω，則,,,,2. L-C式這種電路利用電感及電容進行設計。按結(jié)構(gòu)分成低通型和高通型兩種類型，如圖9-3所示，下面分別給出其參數(shù)的計算公式。,,(a) 低通型

9、 (b) 高通型圖9-3 L-C式集總參數(shù)功分器,（1）低通型,（9-5）（2）高通型,（9-6）集總參數(shù)功分器的設計過程是先確定電路結(jié)構(gòu)，再計算出各個電感，電容或電阻的值，最后，按照確定的電路結(jié)構(gòu)進行設計。,9.2.2等分型功分器設計實例設計工作頻率f0=1GHz的功分器，特性阻抗為Z0=50,功率比例為k=0.5，且要求在1,0.02GHz的范圍內(nèi)S11,-14dB，S21,-4dB

10、，S31,-4dB。1.電路結(jié)構(gòu)的選擇及參數(shù)計算選擇高通型L-C式電路結(jié)構(gòu)如圖9-3（b）所示。按照式（9-6）計算得,。,,2.ADS設計與仿真（1）創(chuàng)建新項目啟動ADS2009選擇Main windows菜單欄【File】→【New Project】，按照提示選擇項目保存的路徑和輸入文件名點擊,按鈕創(chuàng)建新項目,點擊,，新建電路原理圖窗口，開始設計功分器,（2）功分器電路設計在“Lumped-Components”類中

11、，分別選擇控件,在“Simulation -S_Param”類中，分別選擇控件,、,，放置到原理圖中合適位置。,在工具欄中單擊,按鈕，放置各端口接地，雙擊,修改屬性，要求掃描頻率從0.9GHz到1.1GHz，掃描步長為0.01GHz。功分器 仿真電路原理圖如圖9-4所示。,,圖9-4 功分器仿真電路原理圖,（3）功分器電路仿真點擊工具欄中,按鈕進行仿真，仿真結(jié)束后會出現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示窗口,點擊顯示窗口左側(cè)工具欄中,按鈕，彈出設置窗口，

12、在窗口左側(cè)的列表里選擇S(1,1)即S11,參數(shù)，點擊,按鈕，彈出設置單位(這里選擇dB) 窗口， 點擊兩次,按鈕后，窗口中顯示出S11參數(shù)隨頻率變化的曲線。用同樣的方法依次加入S31，S21，得到波形圖如圖9-5所示。,,圖9-5 功分器仿真曲線,9.2.3比例型功分器 比例型功分器的兩個輸出端口功率不相等。假定一個支路端口與主路端 口的功率比為k，可按照下面公式計算低通式L-C式集總參數(shù)比例功分器。,其他形式的比例

13、型功分器參數(shù)可用類似的方法進行計算。,9.2.4 比例型功分器設計實例設計工作頻率f0=750MHz的功分器，特性阻抗為Z0=50,，功率比例為k=0.1，且要求在750,50MHz的范圍內(nèi),1. 電路結(jié)構(gòu)選擇及參數(shù)計算選擇低通型L-C式電路結(jié)構(gòu)如9-3（a）所示，代入?yún)?shù)計算得,，,2. ADS設計與仿真（1）創(chuàng)建新項目啟動ADS2009選擇Main windows菜單欄【File】→【New Project】，按照提示

14、選擇項目保存的路徑和輸入文件 名點擊,按鈕創(chuàng)建新項目,點擊,，新建電路原理圖窗口，開始設計功分器,（2）功分器電路設計在“Lumped-Components”類中，分別選擇控件,、,、,，在 “Simulation -S_Param”類中，分別選擇控件,、,，放置到原理圖中合適位置點擊,圖標，放置兩個地，雙擊,，修改屬性，要求掃描頻率從 0.6GHz到0.8GHz掃描步長設為0.01GHz，功分器仿真電路原理圖如圖9-6所示

15、,,圖9-6 功分器電路圖原理圖,（3）功分器電路仿真點擊工具欄中,按鈕進行仿真，仿真結(jié)束后會出現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示窗口點擊數(shù)據(jù)顯示窗口左側(cè)工具欄中的,按鈕，彈出設置窗口，在窗口左側(cè)的列 表里選擇S(1,1)即S11參數(shù)，點擊,按鈕彈出單位(這里選擇dB) 設置窗口， 點擊兩次,按鈕后，窗口中顯示出S11參數(shù)隨頻率變化的曲線。用同樣 的方法依次加入S22，S21，S12參數(shù)的曲線，由于功分器的對稱結(jié)構(gòu)，S11與 S22，以及S21與S

16、12曲線是相同的。仿真曲線如圖9-7所示,,圖9-7仿真曲線,9.3 Wilkinson功分器設計及仿真分布參數(shù)功分器最簡單的類型是T型結(jié)，它是具有一個輸入和兩個輸出的三端口網(wǎng)絡，可用做功率分配或功率合成。實際上，T型結(jié)分布參數(shù)功分器可用任意類型的傳輸線制作。圖9-8給出了一些常用的波導型和微帶型或帶狀線型的T型結(jié)。由于存在傳輸線損耗，這種結(jié)的缺點是不能同時在全部端口匹配，同時，在輸出端口之間沒有任何隔離。,,,(a) E平面波導T型

17、結(jié) (b) H平面波導T型結(jié),(c) 微帶T型結(jié)圖9-8各種T型結(jié)功分器,根據(jù)微波工程的理論可知，有耗三端口網(wǎng)絡可制成全部端口匹配，并在輸出端口之間有隔離。Wilkinson功分器就是這樣一種網(wǎng)絡。Wilkinson功分器可制成任意比例功分器，但一般考慮等分情況。這種功分器常制作成微帶線或帶狀線形式，如圖9-9（a）所示。圖9-9（b）給出了相應的等效傳輸線電路?？梢岳脙蓚€較簡單的電路（在輸出端口用對稱和反對稱源驅(qū)動）對電路

18、進行分析。具體分析過程請讀者自行查閱相關(guān)資料。,,,(a) 等分微帶線形式功分器 (b) 等效傳輸線電路 圖9-9 Wilkinson功分器,9.3.1Wilkinson功分器設計利用,厚度h=0.8mm的介質(zhì)基板，設計Wilkinson功分器。通帶0.9-1.1GHz，功分比為1:1，帶內(nèi)各端口反射系數(shù)S11、S22、S33小于-20dB，兩輸出端隔離度S23小于-25dB，傳輸損耗S21和

19、S31小于3.1dB。根據(jù)設計要求，中心頻率1.0GHz，輸入阻抗50歐姆，并聯(lián)電阻為50歐姆。（1）創(chuàng)建新項目啟動ADS2009選擇Main windows菜單欄【File】→【New Project】，按照提示選擇項目保存的路徑和輸入文件名點擊,按鈕創(chuàng)建新項目,點擊,，新建電路原理圖窗口，開始設計功分器,（2）在“Tlines-Microstrip”類中，選擇,雙擊并修改屬性。選擇微帶控件,、,以及,，分別放置在原理圖區(qū)

20、中。選擇畫線工具,按照圖9-10所示將電路連接好，并雙擊每個元件設置參數(shù)。（3）濾波器兩邊的引出線是特性阻抗為50歐姆的微帶線，它的寬度W由微帶線計算工具得到。,點擊菜單欄【Tools】→【LineCalc】→【Start Linecalc】，出現(xiàn)新窗口，如圖9-11所示在窗口的“Substrate Parameters”欄中填入與MSUB中相同的微帶線參數(shù)在“Component Parameters”欄中填入中心頻率1GHz

21、“Physical”欄中的W和L分別表示微帶線的寬和長“Electrical”欄中的Z0和E_Eff分別表示微帶線的特性阻抗和相位延遲點擊“Synthesize”和“Analyze”欄中,箭頭， 完成W、L與Z0、E_Eff 的換算計算過程中，出現(xiàn)另一個窗口顯示當前運算狀態(tài)以及錯誤信息,,圖9-10 Wilkinson功分器連接方式,,圖9-11 LineCalc主界面,填入Z0=50 Ohm可以算出微帶線的線寬1.52 mm。

22、填入Z0=70.7 Ohm和E_Eff=90 deg可以算出微帶線的線寬0.79 mm和長度42.9 mm。,（4）單擊工具欄,圖標，在原理圖中放置VAR控件，雙擊該圖標彈出設置窗口，依次添加微帶線的W，L，S參數(shù)，如圖9-12所示。,在“Instance Name”欄中填變量名稱，Variable Value欄中填變量的初值， 點擊,按鈕添加變量單擊單擊,，彈出菜單，選擇【Tuning】選項卡，按鈕設置變量 的取值范圍E

23、nabled/Disabled表示該變量是否能被優(yōu)化。,,,,,,圖9-12變量設置,中間微帶線長度L1及寬度W1為優(yōu)化變量。設L1初始值=15mm，由于W1為微帶線的 寬度最窄只能取0.2mm，最好取0.5mm以上。50歐姆微帶線寬W2=1.52mm。,9.3.2電路仿真與優(yōu)化（1）在原理圖設計窗口中選擇“Simulation-S_Param”元件類，在面板中選擇Term,放置在功分器三個端口上，用定義端口1、2和3。點擊,圖標，

24、放置三個地，并按照圖9-13連接電路。選擇,控件放置在原理圖中，并設置掃描的頻率范圍和步長，頻率范圍根據(jù)功分器的指標確定。,,圖9-13 Wilkinson功分器仿真電路,（2）在原理圖設計窗口中選擇“Optim/Stat/Yield/DOE”類，在面板中選擇,控件放置在原理圖中，雙擊該控件設置優(yōu)化方法及優(yōu)化次數(shù)，如圖9-14所示。,,圖9-14 優(yōu)化屬性設置常用的優(yōu)化方法有Random(隨機)、Gradient(梯度)等。隨機法

25、通常用于大范圍 搜索，梯度法則用于局部收斂。本例選擇隨機法優(yōu)化，優(yōu)化次數(shù)為25次。,（3）選擇,控件，設置四個優(yōu)化目標。由于電路的對稱性，S31和S33不用設置優(yōu)化。S11和S22分別設定輸入輸出端口的反射系數(shù)，S21設定功分器通帶內(nèi)的衰減情況，S23設定兩個輸出端口的隔離度。加入優(yōu)化目標后的原理圖如圖9-15所示。,,圖9-15 加入優(yōu)化目標的原理圖（4）設置完優(yōu)化目標后，保存電路圖，然后進行參數(shù)優(yōu)化仿真。,點擊工具欄,按鈕，開始

26、優(yōu)化仿真,優(yōu)化過程中，在狀態(tài)顯示窗口觀察優(yōu)化狀態(tài)。其中的“CurrentEF”表 示與優(yōu)化目標的偏差，數(shù)值越小表示越接近優(yōu)化目標，0表示達到了優(yōu)化 目標，下面還列出了各優(yōu)化變量的值，當優(yōu)化結(jié)束時還會打開數(shù)據(jù)顯示 窗口在優(yōu)化完成后，點擊菜單欄中【Simulate】→【Update Optimization Values】保存優(yōu)化后的變量值(在VAR控件上可以看到變量的當前值)， 否則優(yōu)化后的值將不保存,（5）優(yōu)化完成后必須關(guān)

27、掉優(yōu)化控件，才能觀察仿真的曲線。點擊原理圖工具欄中,按鈕，然后點擊優(yōu)化控件OPTIM，則控件打上紅叉表示已關(guān)掉。關(guān)閉優(yōu)化控件后原理圖，如圖9-16所示。,,圖9-16 關(guān)閉控件后的原理圖,（6）點擊工具欄,按鈕進行仿真，仿真結(jié)束后會出現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示窗口。,（7）點擊數(shù)據(jù)顯示窗口左側(cè)工具欄中的,按鈕，彈出設置窗口，在窗口左側(cè)的列表里選擇S(1,1)即S11參數(shù)，點擊,按鈕彈出單位(這里選擇dB)設置窗口，點擊兩次,按鈕后，數(shù)據(jù)顯示窗口中

28、顯示出S11參數(shù)隨頻率變化的曲線。用同樣的方法依次加入S31，S21，S23參數(shù)曲線。如圖9-17所示。,,圖9-17 仿真曲線,觀察S參數(shù)曲線是否滿足指標要求，如果已經(jīng)達到指標要求，可以進行版圖的仿真。版圖的仿真是采用矩量法直接對電磁場進行計算，其結(jié)果比在原理圖中仿真要準確，但是它的計算比較復雜，需要較長的時間。,9.3.3版圖仿真（1）由原理圖生成版圖，先要把原理圖中用于S參數(shù)仿真的兩個“Term”以及“接地”去掉，不讓他們出現(xiàn)

29、在生成的原理圖中。去掉的方法與前面關(guān)掉優(yōu)化控件的相同，使用,按鈕，把這些元件打上紅叉，如圖9-18所示。,,圖9-18 生成版圖前的原理圖,（2）點擊菜單欄【Layout】→【Generate/Update Layout】，彈出設置窗口， 如圖9-19所示。直接單擊,按鈕，出現(xiàn)另一個窗口，如圖9-20所示。再單擊,按鈕，完成版圖生成，如圖9-21所示。,,,圖9-19 Layout層設置窗口 圖9-20

30、Layout層狀態(tài)窗口,,,圖9-21 Wilkinson功分器版圖 圖9-22 微帶介質(zhì)參數(shù)設置,（3）版圖生成后，設置微帶電路基板的基本參數(shù)。點擊版圖窗口菜單欄【Momentum】→【Substrate】→【Update From Schematic】從原理圖中獲得參數(shù)點擊【Momentum】→【Substrate】→【Create/Modify】可以修改這些參數(shù)， 如圖9-22所示。,（4）為了進行S

31、參數(shù)仿真在功分器兩側(cè)添加兩個端口。點擊工具欄上的Port,按鈕，彈出port設置窗口，點擊,按鈕 ，關(guān)閉該窗口，在功分器三個端點加上port。,（5）點擊【Momentum】→【Simulation】→【S-parameter】彈出仿真設置窗口，在窗口右側(cè)的“Sweep Type”選擇“Adaptive”，起止頻率設置與原理圖相同，采樣點數(shù)限制取10 (因為仿真很慢，所以

32、點數(shù)不要取得太多)。然后點擊“Update”按鈕，將設置填入左側(cè)列表中，點擊,按鈕開始仿真，如圖9-23所示。仿真過程中會出現(xiàn)狀態(tài)窗口顯示仿真進程，如圖9-24所示。,,,圖9-23 版圖仿真參數(shù)設置 圖9-24 版圖仿真狀態(tài)窗口,（6）仿真運算要進行數(shù)分鐘，仿真結(jié)束后將出現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示窗口，觀察S參數(shù)曲線，性能有不同程度的惡化。版圖仿真曲線如圖9-25所示。,,圖9-25 版圖仿真曲線,9.4本章小結(jié)本章介紹了利用ADS200

33、9設計和仿真功分器的方法，其中包括集總參數(shù)功分器、分布參數(shù)功分器（Wilkinson功分器）的電路設計及版圖仿真。集總參數(shù)功分器常用的電路模型有電阻式和Ｌ-Ｃ式兩種。設計集總參數(shù)功分器就是按照電路結(jié)構(gòu)計算相應電參數(shù)，利用ADS輔助仿真。這種類型的功分器工作頻率較低，由于其電路拓撲結(jié)構(gòu)的限制，技術(shù)指標差強人意。 分布參數(shù)功分器種類很多。本章以常用的Wilkinson功分器設計仿真為研究重點。給出了電路優(yōu)化仿真和版圖仿真實例。真正意義上

34、的功分器可以作為功率合成器使用，對于功率合成器與功分器在技術(shù)指標方面的差別，請讀者自行查閱相關(guān)資料,9.5思考題（1）如何測試Wilkinson功分器的性能指標？當這種類型的功分器作為功率合 成器使用時，如何測試各項指標？（2）設計集總參數(shù)功分器過程如果技術(shù)指標難以達到，如何修改電路拓撲結(jié)構(gòu)？ 另外還有哪些電路拓撲形式可以采用？（3）查閱相關(guān)資料，利用集總參數(shù)模型，設計電阻式功分器 (技術(shù)指標自行設定