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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第九章功率分配器的设计与仿真,【,本章重点,】,功分器的原理及技术指标,集总参数功分器的设计及仿真,Wilkinson,功分器的设计及仿真,第九章,功率分配器的设计与仿真,在射频,/,微波电路中,为了将功率按一定比例分成两路或多路,需要使用功率分配器(简称功分器)。反过来使用的功率分配器是功率合成器。在近代射频,/,微波大功率固态发射源的功率放大器中广泛地使用功分器,而且通常功分器是成对使用,先将功率分成若干份,然后分别放大,再合成输出。,在,20,世纪,40,年代,,MIT,辐射实验室(,Radiation Laboratory,)发明和制造了种类繁多的波导型功分器。它们包括,E,和,H,平面波导,T,型结、波导魔,T,和使用同轴探针的各种类型的功分器。在,20,世纪,50,年代中期到,60,年代,又发明了多种采用带状线或微波技术的功分器。平面型传输线应用的增加,也导致了新型功分器的开发,诸如,Wilkinson,分配器、分支线混合网络等。,本章分析功分器的设计方法,并利用,ADS2009,设计中心频率为,750MHz,的集总参数比例型功分器和中心频率为,1GHz,的集总参数等分型功分器,进而给出中心频率为,1GHz,分布参数(,Wilkinson,)功分器的电路和版图设计实例,。,图,9-1,功分器意图,9.1,功分器的基本原理,一分为二功分器是三端口网络结构,如图,9-1,所示。信号输入端的功率为,P,1,,,而其他两个端口的功率分别为,P,2,和,P,3,。由能量守恒定律可知,P,1,=,P,2,+,P,3,(,9-1,),如果,P,2,(,dBm,),=,P,3,(dBm),,三端口功率间的关系可写成,P,2,(,dBm,),=,P,3,(dBm)=,P,1,(,dBm,),-3dB,当然,,P,2,并不一定要等于,P,3,,只是相等的情况在实际电路中最常用。因此,,功分器可分为等分型(,P,2,=P,3,)和比例型(,P,2,=k,P,3,)两种类型。,9.11,主要技术指标,功分器的主要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、支路端口间的隔离带、每个端口的电压驻波比等。,(,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。必须首先明确功分器的工作频率,才能进行下面的设计。,(,2,)承受功率,在功分器,/,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,任务来选择用何种传输线。,(,3,)分配损耗,主路到支路的分配损耗实质上与功分器的主路分配比,A,d,有关。其定义为,(,9-2,),式中,例如两等分功分器的分配损耗是,3dB,,四等分功分器的分配损耗是,6dB,。,(,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产生的。考虑输入端的驻波比所带来的损耗,插入损耗,A,i,定义为,(,9-3,),A,是在其他支路端口接匹配负载,主路到某一支路间的传输损耗,其为实测值。,A,在理想状态下为,A,d,。在功分器的实际工作中,几乎都是用,A,作为研究对象。,(,5,)隔离带,支路端口间的隔离带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,这就是求支路之间有足够,的隔离度。在主路和其他支路都接匹配负载的情况下,,i,口和,j,口的隔离度定义,(,9-4,),隔离度的测量也可按照这个定义进行。,(,6,)驻波比,每个端口的电压驻波比越小越好。,9.2,集总参数功分器设计及仿真,9.2.1,等分型功分器,根据电路使用元件的不同,功分器可分为电阻式和,L-C,式两种类型。,1.,电阻式,电阻式电路仅利用电阻设计,按结构分成,形和,Y,形,图,9-2,所示。,(a),形,(b)Y,形,图,9-2,电阻式功分器,图,9-2,中,Z,0,是电路特性阻抗,在高频电路中,不同频段的特性阻抗不同。这种电路的优点是频宽大,布线面积小,设计简单;缺点是功率衰减较大(,6dB,)。如图,9-2,(,b,)所示,设,Z,0,=50,,则,2.L-C,式,这种电路利用电感及电容进行设计。按结构分成低通型和高通型两种类型,,如图,9-3,所示,下面分别给出其参数的计算公式。,(a),低通型,(b),高通型,图,9-3 L-C,式集总参数功分器,(,1,)低通型,(,9-5,),(,2,)高通型,(,9-6,),集总参数功分器的设计过程是先确定电路结构,再计算出各个电感,电容或,电阻的值,最后,按照确定的电路结构进行设计。,9.2.2,等分型功分器设计实例,设计工作频率,f,0,=1GHz,的功分器,特性阻抗为,Z,0,=50,功率比例为,k=0.5,,且要求在,1,0.02GHz,的范围内,S11,-14dB,,,S21,-4dB,,,S31,-4dB,。,1.,电路结构的选择及参数计算,选择高通型,L-C,式电路结构如图,9-3,(,b,)所示。按照式(,9-6,)计算得,。,2.ADS,设计与仿真,(,1,)创建新项目,启动,ADS2009,选择,Main windows,菜单栏,【File】【New Project】,,按照提示选择项目保存的路径和输入文件名,点击,按钮创建新项目,点击,,新建电路原理图窗口,开始设计功分器,(,2,)功分器电路设计,在,“,Lumped-Components,”,类中,分别选择控件,在,“,Simulation,-S_Param,”,类中,分别选择控件,、,,放置到原理图中合适位置。,在工具栏中单击,按钮,放置各端口接地,双击,修改属性,要求扫描频率从,0.9GHz,到,1.1GHz,,扫描步长为,0.01GHz,。功分器,仿真电路原理图如图,9-4,所示。,图,9-4,功分器仿真电路原理图,(,3,)功分器电路仿真,点击工具栏中,按钮进行仿真,仿真结束后会出现数据显示窗口,点击显示窗口左侧工具栏中,按钮,弹出设置窗口,在窗口左侧的列表里选,择,S(1,1),即,S11,参数,点击,按钮,弹出设置单位,(,这里选择,dB),窗口,,点击两次,按钮后,窗口中显示出,S11,参数随频率变化的曲线。用同样的方法依次加入,S31,,,S21,,得到波形图如图,9-5,所示。,图,9-5,功分器仿真曲线,9.2.3,比例型功分器,比例型功分器的两个输出端口功率不相等。假定一个支路端口与主路端 口的功率比为,k,,可按照下面公式计算低通式,L-C,式集总参数比例功分器。,其他形式的比例型功分器参数可用类似的方法进行计算。,9.2.4,比例型功分器设计实例,设计工作频率,f,0,=750MHz,的功分器,特性阻抗为,Z,0,=50,,功率比例为,k=0.1,,,且要求在,750,50MHz,的范围内,1.,电路结构选择及参数计算,选择低通型,L-C,式电路结构如,9-3,(,a,)所示,代入参数计算得,,,2.ADS,设计与仿真,(,1,)创建新项目,启动,ADS2009,选择,Main windows,菜单栏,【File】【New Project】,,按照提示选择项目保存的路径和输入文件,名,点击,按钮创建新项目,点击,,新建电路原理图窗口,开始设计功分器,(,2,)功分器电路设计,在,“,Lumped-Components,”,类中,分别选择控件,、,、,,在,“,Simulation,-S_Param,”,类中,分别选择控件,、,,放置到原理图中合适位置,点击,图标,放置两个地,双击,,修改属性,要求扫描频率从,0.6GHz,到,0.8GHz,扫描步长设为,0.01GHz,,功分器仿真电路原理图如图,9-6,所示,图,9-6,功分器电路图原理图,(,3,)功分器电路仿真,点击工具栏中,按钮进行仿真,仿真结束后会出现数据显示窗口,点击数据显示窗口左侧工具栏中的,按钮,弹出设置窗口,在窗口左侧的列,表里选择,S(1,1),即,S11,参数,点击,按钮弹出单位,(,这里选择,dB),设置窗口,,点击两次,按钮后,窗口中显示出,S11,参数随频率变化的曲线。用同样,的方法依次加入,S22,,,S21,,,S12,参数的曲线,由于功分器的对称结构,,S11,与,S22,,以及,S21,与,S12,曲线是相同的。仿真曲线如图,9-7,所示,图,9-7,仿真曲线,9.3 Wilkinson,功分器设计及仿真,分布参数功分器最简单的类型是,T,型结,它是具有一个输入和两个输出的三端口网络,可用做功率分配或功率合成。实际上,,T,型结分布参数功分器可用任意类型的传输线制作。图,9-8,给出了一些常用的波导型和微带型或带状线型的,T,型结。由于存在传输线损耗,这种结的缺点是不能同时在全部端口匹配,同时,在输出端口之间没有任何隔离。,(a)E,平面波导,T,型结,(b)H,平面波导,T,型结,(c),微带,T,型结,图,9-8,各种,T,型结功分器,根据微波工程的理论可知,有耗三端口网络可制成全部端口匹配,并在输出端口之间有隔离。,Wilkinson,功分器就是这样一种网络。,Wilkinson,功分器可制成任意比例功分器,但一般考虑等分情况。这种功分器常制作成微带线或带状线形式,如图,9-9,(,a,)所示。图,9-9,(,b,)给出了相应的等效传输线电路。可以利用两个较简单的电路(在输出端口用对称和反对称源驱动)对电路进行分析。具体分析过程请读者自行查阅相关资料。,(a),等分微带线形式功分器,(b),等效传输线电路,图,9-9 Wilkinson,功分器,9.3.1Wilkinson,功分器设计,利用,厚度,h,=0.8mm,的介质基板,设计,Wilkinson,功分器。通带,0.9-1.1,GHz,,功分比为,1:1,,带内各端口反射系数,S11,、,S22,、,S33,小于,-20dB,,两输出端隔离度,S23,小于,-25dB,,传输损耗,S21,和,S31,小于,3.1dB,。,根据设计要求,中心频率,1.0,G,Hz,,输入阻抗,50,欧姆,并联电阻为,50,欧姆。,(,1,)创建新项目,启动,ADS2009,选择,Main windows,菜单栏,【File】【New Project】,,按照提示选择项目保存的路径和输入文件名,点击,按钮创建新项目,点击,,新建电路原理图窗口,开始设计功分器,(,2,)在,“,Tlines-Microstrip,”,类中,选择,双击并修改属性。选择微带控件,、,以及,,分别放置在原理图区中。选择画线工具,按照图,9-10,所示将电路连接好,并双击每个元件设置参数。,(,3,)滤波器两边的引出线是特性阻抗为,50,欧姆的微带线,它的宽度,W,由微带线,计算工具得到。,点击菜单栏,【,Tools】【LineCalc】【Start Linecalc】,,出现新窗口,如图,9-11,所示,在窗口的,“,Substrate Parameters,”,栏中填入与,MSUB,中相同的微带线参数,在,“,Component Parameters,”,栏中填入中心频率,1GHz,“,Physical,”,栏中的,W,和,L,分别表示微带线的宽和长,“,Electrical,”,栏中的,Z0,和,E_Eff,分别表示微带线的特性阻抗和相位延迟,点击,“,Synthesize,”,和,“,Analyze,”,栏中,箭头,完成,W,、,L,与,Z0,、,E_Eff,的换算,计算过程中,出现另一个窗口显示当前运算状态以及错误信息,图,9-10 Wilkinson,功分器连接方式,图,9-11 LineCalc,主界面,填入,Z,0,=50 Ohm,可以算出微带线的线宽,1.52 mm,。填入,Z,0,=70.7 Ohm,和,E_Eff=90,deg,可以算出微带线的线宽,0.79 mm,和长度,42.9 mm,。,(,4,)单击工具栏,图标,在原理图中放置,VAR,控件,双击该图标弹出设置,窗口,依次添加微带线的,W,,,L,,,S,参数,如图,9-12,所示。,在,“,Instance Name,”,栏中填变量名称,,Variable Value,栏中填变量的初值,,点击,按钮添加变量,单击单击,,弹出菜单,选择,【,Tuning】,选项卡,按钮设置变量,的取值范围,Enabled/Disabled,表示该变量是否能被优化。,图,9-12,变量设置,中间微带线长度,L1,及宽度,W1,为优化变量。设,L1,初始值,=15mm,,由于,W1,为微带线的,宽度最窄只能取,0.2mm,,最好取,0.5mm,以上。,50,欧姆微带线宽,W2=1.52mm,。,9.3.2,电路仿真与优化,(,1,)在原理图设计窗口中选择,“,Simulation-S_Param,”,元件类,在面板中选择,Term,放置在功分器三个端口上,用定义端口,1,、,2,和,3,。点击,图标,放置三,个地,并按照图,9-13,连接电路。选择,控件放置在原理图中,并设置扫,描的频率范围和步长,频率范围根据功分器的指标确定。,图,9-13 Wilkinson,功分器仿真电路,(,2,)在原理图设计窗口中选择,“,Optim/Stat/Yield/DOE,”,类,在面板中选择,控件放置在原理图中,双击该控件设置优化方法及优化次数,如图,9-14,所示。,图,9-14,优化属性设置,常用的优化方法有,Random(,随机,),、,Gradient(,梯度,),等。随机法通常用于大范围,搜索,梯度法则用于局部收敛。本例选择随机法优化,优化次数为,25,次。,(,3,)选择,控件,设置四个优化目标。由于电路的对称性,,S31,和,S33,不用设置优化。,S11,和,S22,分别设定输入输出端口的反射系数,,S21,设定功分器通带内的衰减情况,,S23,设定两个输出端口的隔离度。加入优化目标后的原理图如图,9-15,所示。,图,9-15,加入优化目标的原理图,(,4,)设置完优化目标后,保存电路图,然后进行参数优化仿真。,点击工具栏,按钮,开始优化仿真,优化过程中,在状态显示窗口观察优化状态。其中的,“,CurrentEF,”,表,示与优化目标的偏差,数值越小表示越接近优化目标,,0,表示达到了优化,目标,下面还列出了各优化变量的值,当优化结束时还会打开数据显示,窗口,在优化完成后,点击菜单栏中,【Simulate】【Update Optimization,Values】,保存优化后的变量值,(,在,VAR,控件上可以看到变量的当前值,),,,否则优化后的值将不保存,(,5,)优化完成后必须关掉优化控件,才能观察仿真的曲线。点击原理图工具栏中,按钮,然后点击优化控件,OPTIM,,则控件打上红叉表示已关掉。关闭优,化控件后原理图,如图,9-16,所示。,图,9-16,关闭控件后的原理图,(,6,)点击工具栏,按钮进行仿真,仿真结束后会出现数据显示窗口。,(,7,)点击数据显示窗口左侧工具栏中的,按钮,弹出设置窗口,在窗口左侧的,列表里选择,S(1,1),即,S11,参数,点击,按钮弹出单位,(,这里选择,dB),设,置窗口,点击两次,按钮后,数据显示窗口中显示出,S11,参数随频率变化的曲线。用同样的方法,依次加入,S31,,,S21,,,S23,参数曲线。如图,9-17,所示。,图,9-17,仿真曲线,观察,S,参数曲线是否满足指标要求,如果已经达到指标要求,可以进行版图的仿真。版图的仿真是采用矩量法直接对电磁场进行计算,其结果比在原理图中仿真要准确,但是它的计算比较复杂,需要较长的时间。,9.3.3,版图仿真,(,1,)由原理图生成版图,先要把原理图中用于,S,参数仿真的两个,“,Term,”,以及,“,接地,”,去掉,不让他们出现在生成的原理图中。去掉的方法与前面关掉优化控件的相同,使用,按钮,把这些元件打上红叉,如图,9-18,所示。,图,9-18,生成版图前的原理图,(,2,)点击菜单栏,【Layout】【Generate/Update Layout】,,弹出设置窗口,,如图,9-19,所示。直接单击,按钮,出现另一个窗口,如图,9-20,所示。,再单击,按钮,完成版图生成,如图,9-21,所示。,图,9-19 Layout,层设置窗口 图,9-20 Layout,层状态窗口,图,9-21 Wilkinson,功分器版图 图,9-22,微带介质参数设置,(,3,)版图生成后,设置微带电路基板的基本参数。,点击版图窗口菜单栏,【Momentum】【Substrate】【Update From,Schematic】,从原理图中获得参数,点击,【Momentum】【Substrate】【Create/Modify】,可以修改这些参数,,如图,9-22,所示。,(,4,)为了进行,S,参数仿真在功分器两侧添加两个端口。点击工具栏上的,Port,按钮,弹出,port,设置窗口,点击,按钮,,关闭该窗口,在功分器,三个端点加上,port,。,(,5,)点击,【Momentum】【Simulation】【S-parameter】,弹出仿真设置窗口,在窗口右侧的,“,Sweep Type,”,选择,“,Adaptive,”,,起止频率设置与原理图相同,采样点数限制取,10(,因为仿真很慢,所以点数不要取得太多,),。然后点击,“,Update,”,按钮,将设置填入左侧列表中,点击,按钮开始仿真,如图,9-23,所示。仿真过程中会出现状态窗口显示仿真进程,,如图,9-24,所示。,图,9-23,版图仿真参数设置 图,9-24,版图仿真状态窗口,(,6,)仿真运算要进行数分钟,仿真结束后将出现数据显示窗口,观察,S,参数曲线,性能有不同程度的恶化。版图仿真曲线如图,9-25,所示。,图,9-25,版图仿真曲线,9.4,本章小结,本章介绍了利用,ADS2009,设计和仿真功分器的方法,其中包括集总参数功分器、分布参数功分器(,Wilkinson,功分器)的电路设计及版图仿真。,集总参数功分器常用的电路模型有电阻式和,-,式两种。设计集总参数功分器就是按照电路结构计算相应电参数,利用,ADS,辅助仿真。这种类型的功分器工作频率较低,由于其电路拓扑结构的限制,技术指标差强人意。,分布参数功分器种类很多。本章以常用的,Wilkinson,功分器设计仿真为研究重点。给出了电路优化仿真和版图仿真实例。真正意义上的功分器可以作为功率合成器使用,对于功率合成器与功分器在技术指标方面的差别,请读者自行查阅相关资料,9.5,思考题,(,1,)如何测试,Wilkinson,功分器的性能指标?当这种类型的功分器作为功率合,成器使用时,如何测试各项指标?,(,2,)设计集总参数功分器过程如果技术指标难以达到,如何修改电路拓扑结构?,另外还有哪些电路拓扑形式可以采用?,(,3,)查阅相关资料,利用集总参数模型,设计电阻式功分器,(,技术指标自行设定,),。,
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