第九章功率分配器的设计与仿真.ppt

《第九章功率分配器的设计与仿真.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第九章功率分配器的设计与仿真.ppt（28页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、1,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,2,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

2、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。,3,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P1， 而其他两个端口的功率分别为P2和P3。由能量守恒定

3、律可知 P1= P2+ P3 （9-1） 如果P2（dBm）=P3(dBm)，三端口功率间的关系可写成 P2（dBm）=P3(dBm)= P1（dBm）-3dB 当然，P2并不一定要等于P3，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（P2=P3）和比例型（P2=kP3）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。 （

4、2）承受功率,4,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Ad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Ai定义为,（9-3） A是在其他支路端口接匹配

5、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Ad。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,5,（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

6、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Z0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Z0=50，则,6,2. 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,7,（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

7、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f0=1GHz的功分器，特性阻抗为Z0=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,。,8,2.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

8、,（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。,9,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

9、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。,10,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。,11,9.2.4 比例型功分器设计实例 设计工作频率f0=750MHz的功分器，特性阻抗为Z0=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（

10、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

11、9-6所示,12,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,13,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

12、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。,14,(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

13、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,15,9.3.1Wilkinson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0.9-1.1GHz，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1.0GHz，输入阻抗50欧

14、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。,16,点击菜单栏【Tools】【LineCalc】【Start Lin

15、ecalc】，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,17,图9-11 LineCalc主界面,填入Z0=5

16、0 Ohm可以算出微带线的线宽1.52 mm。填入Z0=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。,18,图9-12变量设置,中间微带线长度L1及宽度W1为优化变量。

17、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。,19,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

18、，双击该控件设置优化方法及优化次数，如图9-14所示。,20,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。,21,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

19、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,22,（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

20、 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。,23,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。,24

21、,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,25,（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、-22 微带介质参数设置,26,（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“Sw

23、eep 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。,27,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,28,9.4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

24、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)。,