C波段一分三功分器的ADS设计与仿真.pdf

C波段1分3功分器的设计与仿真摘要随着现代电子和通信技术的飞跃发展，信息交流越发频繁，各种各样电子 电气设备已大大影响到各个领域的企业及家庭。在微波通信领域，随着微波技 术的发展，功分器作为一个重要的器件，其性能对系统有不可忽略的影响，因 此其研制技术也需要不断的改进。本文首先对功分器的基本理论、性能指标作了简单介绍，然后阐述了一个 具体的c波段一分三功分器的设计思路和过程，并给出了设计的电路结构、仿 真结果、生成了相应的Layout图，最后制作了版图。本文还用到了 ADS和 AutoCAD,在功分器的具体电路结构建模、仿真优化和版图的生成上如何应用，在设计过程中文中都作出了相应的说明。关键词：插入损耗；隔离度；带内波动The Design And Simulation Of The C-Band1 Into 3 Power SplittersAbstractWith the lea p development of the modern electronic a nd communica tion technology a nd the more a nd more freq uent informa tion excha nge,va rious kinds of electrica l a nd electronic eq uipments ha ve grea tly a ffected business a nd home in a ll doma ins.In the field of microwa ve communica tion,a long with the development of microwa ve technology,a s a key device,the influence of the splitters9 performa nce to system ca n not be overlooked,so the development technology needs continuously improved.In this pa per,the ba sic theory a nd the performa nce indica tors of the sp出ters a re simply introduced,a nd then the design idea a nd process of a specific C-ba nd 1 into 3 splitters a re expa tia ted.The circuit structure,the simula tion results a nd the La yout cha rt a re a lso givn.Fina lly,the Territory is ma de.ADS a nd AutoCAD a re a lso used in the design.How to use them in the specific circuit modeling,simula tion,optimiza tion a nd Territory forma tion a re correspondingly described in the pa per.Key words：Insertion loss;Isola tion;Ba ndwidth fluctua tion目录论文总页数：21页1.弓I言.11.1 功分器设计背景.11.2 国内外研究现状.11.3 本课题研究内容.42.功率分配器基本理论.42.1 功率分配器的分类情况.42.2 常用的功率分配器间的区别.42.3 功分器的基本原理.42.3.1四分之一波长变换器.42.3.2功分器的原理.73.功分器性能参数概念介绍.123.1输入驻波比.123.2频率范围.123.3承受功率.123.4插入损耗.123.5隔离度.133.6平衡.133.7 S 参数.134.功分器的设计.135.观察仿真曲线.155.1 调出仿真结果.155.2观察仿真曲线.155.3版图的生成.17结 论.18参考文献.19致 谢.20声 明.211.引言1.1 功分器设计背景功分器是将输入信号功率分成相等或不相等的几路输出的一种多端口网 络，它广泛应用于雷达系统及天线的馈电系统中。功分器按照其功率分配比有 相应的设计公式可较为容易的实现。等分功分器按其分配支路的数量可分为 2n+l（奇）等分和2n（偶）等分两类。后者的设计方法相对简单，只需要在最 基本的一分二功分器上再等分即可。对于奇等分功分器，通常惯用的设计方法 是先2（n+1）等分，然后其中一路加负载，这种设计方法虽然简便，可是有着 结构受限，接负载端容易影响其它端口相幅的一致性，并且插损较大。随着无线通信技术的快速发展，各种通讯系统的载波频率不断提高，小型 化低功耗的高频电子器件及电路设计使微带技术发挥了优势。在射频电路和测 量系统如混频器、功率放大器电路中的功率分配与耦合元件的性能将影响整个 系统的通讯质量。在通讯设备中，功分器有着非常广泛的应用，例如在相控阵雷达系统中，要将发射机功率分配到各个发射单元中去。实际中常需要将某一功率按一定比 例分配到各分支电路中。功分器种类繁多，常见的功分器有变压器式、微带式 或带状线式、波导式和铁氧体式，它们各有优缺点和使用场合。1.2 国内外研究现状功率分配器作为一种低耗的无源器件广泛或用于微波毫米波系统，其功能 是将输入功率分配到各个支路中。近年来，采用集成型的平面传输线设计的功 率分配器得到了快速的发展。在天线阵技术的馈电网络中，功率分配器可将功 率分配到各个阵列单元。功分网络中布线的设计质量直接影响整个天线的性能,在实际设计中应考虑体积的小型化、相位、驻波、各端口的匹配和加工精度等 问题，目前的文献大都是针对小型的2功分网络。功分器可以采用腔体和微带的方法。腔体插损较小，功率容量较大，不过 隔离度不好，但插损和平衡度较好；而微带线设计方法就比较灵活，最简单的 可以在输出端口加单向铁氧体，为了减小体积，提高性能，目前最通用的还是 Wilkinson功率分配器的设计思想。微带功率分配器有简单和混合型两类。在平面型微波集成电路中，直接分 成多路输出的只有简单的功率分配器才能实现，其加工工艺简单，但输出端不 匹配，各路输出之间隔离很小，工作频带较窄。混合型功率分配器，由于平面 电路上要对称地安置几个隔离电阻在结构上有困难，故一般只能做成两路功率 分配器，最多不超过三路，但它改善了输出端的匹配，又增大了各输出端口之 间的隔离。混合型多路功率分配器通常是用数个两路功率分配器级联而成川o 第1页共21页另外可用作功率分配器的有微带线定向耦合器和环形电桥，但是它们一般并不 称为功率分配器，因为一个功率分配器应该只有信号的输入端口和输出端口，而不必有隔离端口。在微带功分器中，Wilkinson功分器由于其自身结构的特点具有良好的特 性，是在毫米波微波大功率系统中应用最广泛的一种形式，其功率分配可以是 相等的或不相等的。威尔金森功分器一般只应用于X波段以下频率，当频率 升高就会出现许多问题，比如隔离电阻相对于工作频率有一个谐振频率点，不 能再被看作是纯电阻，它的尺寸可与工作波长相比拟，不能再看作集总元件。为了得到高频段的谐振频率，电阻尺寸必须很小，这就意味着功分器的两个分 支电路必须凑的很近才能与电阻相连，但这样又会引起输出两支路间的强耦合,破坏了我们所要的功分比。功分器现在有如下几种系列口工1、4 0 0 MH z-50 0 MH z频率段二、三功分器，应用于常规无线电通讯、铁路通 信以及4 50 MH z无线本地环路系统。2、8 0 0 MH z-250 0 MH z频率段二、三、四微带系列功分器，应川于GSM/CDMA/PH S/WLAN室内覆盖工程。3、8 0 0 MH z-250 0 MH z频率段二、三、四腔体系列功分器，应用于GSM/CDMA/PH S/WLAN室内覆盖工程。4、17 0 0 MH z-250 0 MH z频率段二、三、四腔体系列功分器，应用于PH S/WLAN 室内覆盖工程。5、8 0 0 MH z-120 0 MH z/16 0 0 MH z-20 0 0 MH z频率段小体积设备内使用的微带二、三功分器。这里介绍几种常见的功分器：一、威尔金森功分器我们将两分支线长度由原来的X/4变为3 2/4,这样使分支线长度变长，但 作用效果与2/4线相同。在两分支线之间留出电阻尺寸大小的缝隙，做成如图 1T所示结构。图1T威尔金森功分器第2页共21页二、变形威尔金森功分器将威尔金森功分器进行变形，做成如图2所示结构。两圆弧长度由原来 的变为3,4,且将圆伸展开形成一个近似的半圆。每个支路通过2/2传输 线与隔离电阻相连，这样做虽然会减小电路的工作带宽，但使输出耦合问题得 到了解决，而且可以用于不对称，功分比高的电路，隔离电阻的放置更加容易，且两支路间的距离足够大，在输出口可直接接芯片。图2变形威尔金森功分器三、混合环混合环又称为环形桥路，它也可作为一种功率分配器使用。早期的混合环 是由矩形波导及其4个E-T分支构成的，由于体积庞大已被微带或带状线环形 桥路所取代。图3为制作在介质基片上的微带混合环的几何图形，环的平均 周长为34/2,环上有四个输出端口，四个端口的中心间距均为4/4。环路 各段归一化特性导纳分别为a,b,c,四个分支特性导纳均为。这种形式的 功率分配器具有较宽的带宽，低的驻波比和高的输出功率。理论上来说，它的 带宽可以同威尔金森功分器相比。混合环功分器相对威尔金森功分器的优点在 于，在实际应用中它在高频率上的性能更好一些。对称平面图3混合环对比以上三种功分器，首先对比威尔金森功分器及变形威尔金森功分器,第3页共21页变形威尔金森功分器性能与仿真结果相差较大，其原因可能有以下几点：加入 两个1/2波长微带线，引入了 T型接头，使微带线产生不连续性；为了保证两1/2 波长微带线之间的距离正好可以焊接电阻，两微带线均倾斜，使焊接电阻处微 带不均匀，另外电阻焊接的非对称性影响了功分器输出两端的功分比。威尔金森功分器和混合环的插损性能较好，可以满足一般功率合成的要求。在隔离方面，威尔金森功分器隔离较好，混合环的隔离要稍差。从上述三种功分器分析可以得出：要获得具有良好性能的微波毫米波功分 器，需保证一定的加工精度，对加隔离电阻的功分器，要特别注意选择尺寸较 小的电阻，焊接时要求电阻两端对称，且从电阻反面焊接，也可以考虑使用薄 膜电阻来实现。这三种功分器都可以审联用作多路功率分配/合成器。1.3 本课题研究内容本文主要是对微带功分器的研究,给出了功分器的设计实例，并且运用工具 软件进行仿真与优化，得到最优结果。本课题的具体内容是采用微带平面电路 结构设计一个工作在C波段、频率：34 GH z、驻波：1.2、传输损耗：5.5dB、隔离：20 dB、带内波动：0.5dB的一分三功分器，并作出版图。2.功率分配器基本理论2.1 功率分配器的分类情况a、按路数分为：2路、3路和4路及通过级联形成的多路功率分配器。b、按结构分为：微带功率分配器及腔体功率分配器。c、根据电路形式可分为：微带线、带状线、同轴腔功率分配器。d、根据能量的分配分为：等分功率分配器及不等分功率分配器。2.2 常用的功率分配器间的区别常用的功率分配器都是等功率分配，从电路形式上来分，主要有微带线、带状线、同轴腔功率分配器，几者间的区别如下：a、同轴腔功分器优点是承受功率大，插损小，缺点是输出端驻波比大，而 且输出端口间无任何隔离。微带线、带状线功分器优点是价格便宜，输出端口 间有很好的隔离，缺点是插损大，承受功率小。b、微带线、带状线和同轴腔的实现形式也有所不同：同轴腔功分器是在要 求设计的带宽下先对输入端进行匹配，到输出端进行分路；而微带功分器先进 行分路，然后对输入端和输出端进行匹配。2.3 功分器的基本原理2.3.1四分之一波长变换器微带功分器的分支电路通常是用四分之一波长阻抗变换器，它是一种有用 而实际的阻抗匹配电路。第4页共21页阻抗匹配的基本思想如图2-1所示，它将匹配网络放在负载和传输线之间。理想的匹配网络是无耗的，而且通常设计成向匹配网络看去输入阻抗为Z。虽 然在匹配网络和负载之间有很多次反射，但是在匹配网络左侧传输线上的反射 被消除了。这个过程也被认为是调谐。阻抗匹配或调谐的原因是很重要的，原 因如下所述：(1)当负载与传输线匹配时(假设信号源是匹配的)，可传送最大功率，并且在馈线上功率损耗最小。(2)对阻抗匹配灵敏的接收机部件可改进系统的信噪比。(3)在功率分配网络中(如天线阵馈电网络)，阻抗匹配可以降低振幅和 相位不平衡。只要负载有非零实部，就能找到匹配网络。匹配网络负载Z图2T阻抗匹配网络四分之一波长变换器对于匹配实数负载阻抗到传输线，是简单而有用的电 路。如下图所示，若主传输线的特性阻抗为Z。，终端接纯电阻性负载乙，但 ZZ。,则可以在传输线与负载之间接入一特性阻抗为Z。、长度/=的传 输线段来实现匹配。图2-2 4/4波长变换器 设此时T面上的反射系数为则+Z0)+2ja/z0Zz tg/3l第5页共21页上式取模值为(2-2)在中心频率附近，上式可近似为0-Z。2yl Z Z L/1=|cos6|(2-3)当。二0时，反射系数的模达到最大值，由式(2.-3)可以画出口 随。变 化的曲线，如图2-3所示。网随夕(或频率)作周期变化，周期为万。如果设 为反射系数模的最大容许值，则由2/4阻抗变换器提供的工作带宽对应于图中 限定的频率范围(A6)。由于当夕偏离时曲线急速下降，所以工作带宽是很 窄的。图2-3 X/4波长变换器在设计频率附近的网的近似形态当C=尸L时2rm41(2-4)通常用分数带宽表示频带宽度，咒与盘有如下关系w fi-fi 2-%(%)-%?4(2-5)vv-二-二-=L 一 一 Uq/o 盘*兀m当已知乙 和Z。，且给定频带内容许的时，则由式(2-5)可计 算出相对带宽%值；反之，若给定序q值，也可求出变换器的|1，计算中 取小于/2的值。对于单一频率或窄频带的阻抗匹配来说，一般单节变换器提供的带宽 能够满足要求。但如果要求在宽频带内实现阻抗匹配，那就必须采用多节阶第6页共21页梯阻抗变换器或渐变线阻抗变换器。2.3.2功分器的原理功率分配器是将输入信号功率分成相等或不相等的几路功率输出的一种多 端口网络。任意多分路单节的功分器的电路拓扑结构如图2-4所示：图2-4功分器的电路示意图其中（a）为多路普通功分器的示意图，信号源与负载内阻均为：&=Z。；若为N等分，则Z、=Z?=.=Z”，各段长度均为：2/4 o这种功分器不能做到信道之间有隔离，也不能做到各端口的完全匹配。图（b）为混合型N路功分器，不同之处在于各路输出端口均有一隔离电阻 R与公共结点相连。可以使输入功率分成大小不相等的N路输出，且各输出端 口同相位。若在输出端口反射，则波将在支线交叉口再分配。由于各段长度为 2/4 o则往返的电长度为，彼此相消，从而实现各输出端口之间的相互隔离。一分三功分器是一个四端口网络，其S参数为：S=S,S2 9 S3 9 S4 S21 22，S23，24 31 5 32”33，34 41 5 42?43?S44 由于普通的无耗互易三端口网络不可能完全匹配，且输出端口间无隔离，工程上对信道之间的隔离要求又很高，因此常用混合型的功率分配器，该结构 也称为威尔金森型功率分配器，它是有耗的三端口网络，是在毫米波微波大功 率系统中应用最广泛的一种形式，其功率分配可以是相等的或不相等的。其不 等功率分配器的一个原理性示意图为图2-5o第7页共21页Z0 2 J-G)U pdate 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。经过数次优化后，CurrentEf的值为0,即为优化结束。优化过程中根据情 况可能会对优化目标、优化变量的取值范围、优化方法及次数进行适当的调整。5.观察仿真曲线5.1调出仿真结果点击图形显示窗口左侧工具栏中的按钮，放置一个方框到图形窗口中，这时会弹出一个设置窗口，在窗口左侧的列表里选择s(i,1)即sn参数，点击 Add按钮会弹出一个窗口设置单位(这里选择dB),点击两次0 K后，图形窗口中 显示出sn随频率变化的曲线。用同样的方法依次加入其他s参数的曲线。今为了准确读出曲线上的值，可以添加Marker,方法是点击菜单中的 Marker-New,出现Instert Marker的窗口，接着点击要添加Marker的曲线，曲线上出现一个倒三角标志，点击拖动此标志，可以看到曲线上各点的数值。5.2观察仿真曲线经过多次优化后，得到优化后的结果如图4-4所示第15页共21页Forward Transmission,dBI I I t I I I I I I I I I I25 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0freq.GHz3.0 3.6 40 4.5 6.0 5.5 6.0 6.6 7.0 7.6 8 0freq.GHz|I I I I I I I I|I 9 V I|I V I I 30 3.5 4.0 45 5.0freq,GHz第16页共21页图4-4优化后的S曲5.3版图的生成各S参数达到指标要求后，再进行版图的生成，这里先要设置微带电路的 基本参数（即原理图中MSU B里的参数），方法是点击版图窗口菜单中的Momentum-Substrate-U pdate From Schematic从原理图中获得这些参数，点击 Momentum-Substrate-Create/Modify 可以修改这参数。图 4-5 为 ADS 中 生成的版图，图4-6为从ADS导入AutoCAD的到的版图。图4-5 ADS版图第17页共21页结论微波器件的分析与设计涉及到的数学知识较多，计算烦琐，而且要用到多 种特殊函数，因此需要借助于计算机，这样不仅省时、省力，最主要的是可以 比较直观地得到优化结果，这一点已经在本课题设计中很好地体现出来了。ADS 作为微波领域的优秀仿真软件，功能强大，其强大的仿真设计手段可在时域或 频域内实现对数字或模拟，线性或非线性电路的综合仿真分析与优化，并可对 设计结果进行成品率分析与优化，从而大大提高了复杂电路的设计效率，使之 成为设计人员的有效工具。本论文以微波电路CAD软件一一ADS为工具，在人工设计的基础上进行仿 真和优化，利川这种设计方法摆脱了盲目性的人工调试，大大缩短了研制周期、减少了设计成本，并比较容易达到高指标。在设计过程中，因为考虑到这是要加隔离电阻的功分器，选择的电阻尺寸 必须很小，这就意味着功分器的三个分支电路必须凑的很近才能与电阻相连，即三支路间的缝隙很小，但这样又会引起输出三支路间的强耦合，破坏了我们 所要的功分比。如果加大缝隙，即要加长电阻的尺寸才能焊接在三支路上，这 样又会恶化各分支电路间的隔离度以及馈线的反射。因此如何选择各支线的间 距，是设计中的难点。对于微带功率分配器我们常用的是功率等分的功率分配器，有很多软件对 于功率分配器的仿真都是可以的，常用的有ESSOF,ADS,Microwave Office等,第18页共21页由于软件仿真的结果是理想化的，而实际由于电阻接头等引起的误差是不可避 免的。例如对于各个端口的回波损耗及隔离度，ESSOF,Microwave Office的 仿真结果很接近，与实验结果相比较而言，一般仿真结果需要达到28 dB,实验 出来的才能达到21dB,但仿真结果超过28 dB后实验的结果变化并不大，这与 电缆、接头等的回波损耗有关系。如果采用的是ADS,由于建模更接近真实，考虑到拐角等，一般情况下回波损耗及隔离度仿真结果与实验结果相差3-4 dB 左右，也就是说仿真是24 dB而实际就能做到21dB。第19页共21页11程海荣，张洪新.一种微带混合型功率分配器的设计A.雷达与对抗，20 0 4.410 韩淑萍，李铭祥.高隔离度一分三功分器的设计A.上海大学学报，20 0 4.12,10(6)9程敏锋，刘学观.微带型Wilkinson功分器设计与实现A.现代电子技术，2006,208 廖承恩.微波技术基础M.北京：国防工业.，19847 刘学观.微波技术基础与天线M.西安：西安电子科技大学.，20016 清华大学微带电路编写组.微带电路M.北京:人民邮电.,19765雷振亚.射频/微波电路导论M.西安：西安电子科技大学.，20 0 5.84 顾继慧.微波技术M.北京:科学.,20043 范寿康,卢春兰,李平辉.微波技术与微波电路M.北京:机械工业.,20 0 3.62清华大学,微带电路M.北京:人民邮电.，社751DavidM.Pozar.微波工程(第三版)M.张肇仪译.北京：电子工业.,20 0 6.3参考文献致 谢本文是在唐军老师的热情关心和精心指导下完成的，他渊博的知识和严谨 的治学作风使我受益匪浅，对顺利完成本课题起到了极大的作用。在此向他表 示我最衷心的感谢！在论文完成过程中，本人还得到了其他同学的热心帮助，本人向他们表示 深深的谢意！最后向在百忙之中评审本文的各位专家、老师表示衷心的感谢！作者简介姓 名：向磊出生年月：1984年H月10日E-mail:3 0 7 8 7 3 6 8 性别：男 民族：汉第20页共21页声 明本论文的工作是2008年3月至2008年6月在成都信息工程学院 电子工程系完成的。文中除了特别加以标注地方外，不包含他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得成都信息工程学院或其他教学机构的学位或 证书而使用过的材料。除非另有说明，本文的工作是原始性工作。关于学位论文使用权和研究成果知识产权的说明：本人完全了解成都信息工程学院有关保管使用学位论文的规定，其中包括:（1）学校有权保管并向有关部门递交学位论文的原件与复印件。（2）学校可以采用影印、缩印或其他复制方式保存学位论文。（3）学校可以学术交流为目的复制、赠送和交换学位论文。（4）学校可允许学位论文被查阅或借阅。（5）学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密后 遵守此规定）。除非另有科研合同和其他法律文书的制约，本论文的科研成果属于成都信息 工程学院。特此声明！第21页共21页