Wilkinson功分器設(shè)計與仿真ppt課件

1、課題任務(wù)和技術(shù)指標(biāo)課題任務(wù)和技術(shù)指標(biāo) u課題任務(wù)：課題任務(wù)： 通過通過對對功分器的學(xué)習(xí)，利用功分器的學(xué)習(xí)，利用ADSADS仿真軟件，設(shè)計一仿真軟件，設(shè)計一 個威爾金森功分器，并仿真得到其各端口的個威爾金森功分器，并仿真得到其各端口的S S參數(shù)。參數(shù)。 u等分威爾金森功分器設(shè)計主要技術(shù)指標(biāo)：等分威爾金森功分器設(shè)計主要技術(shù)指標(biāo)： 工作工作頻率：頻率：2.52.5GHzGHz 頻帶內(nèi)輸入端口的回波損耗：頻帶內(nèi)輸入端口的回波損耗：C1120dBC1120dB 頻帶內(nèi)的插入損耗：頻帶內(nèi)的插入損耗：C213.1dB,C313.1dBC213.1dB,C3125dBC2325dB 課題研究難點、重點及其關(guān)鍵

2、是什么？課題研究難點、重點及其關(guān)鍵是什么？ l 功分器設(shè)計的難點功分器微帶電路的設(shè)計以及功分器設(shè)計的難點功分器微帶電路的設(shè)計以及 隔離電阻的選擇。隔離電阻的選擇。 l 功分器設(shè)計的重點功分器原理圖的仿真及優(yōu)化功分器設(shè)計的重點功分器原理圖的仿真及優(yōu)化 l 功分器設(shè)計的關(guān)鍵是電路參數(shù)的優(yōu)化，以及版功分器設(shè)計的關(guān)鍵是電路參數(shù)的優(yōu)化，以及版 圖的仿真圖的仿真。 目錄： l 選題背景 l 功分器的工作原理和技術(shù)指標(biāo) l 功分器原理圖的設(shè)計與優(yōu)化 l 功分器的版圖生成與仿真 一選題背景：一選題背景： 什么是功分器 功率分配器是將輸入信號功率分成相等或不相等的幾路輸出 的一種多端口的微波網(wǎng)絡(luò)，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)

3、、多路中繼通信機(jī)等 大功率器件等微波射頻電路中。功率分配器又可以逆向使用作為 功率合成器，因此有時又稱為功率分配/合成器。 2. 功分器的重要性 隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，各種通訊系統(tǒng)的載波頻率不 斷提高，小型化低功耗的高頻電子器件及電路設(shè)計使微帶技術(shù)發(fā) 揮了優(yōu)勢。單波傳輸使得系統(tǒng)的增益達(dá)不到實際的要求，從而必 須實現(xiàn)多波傳輸，也就是將功率進(jìn)行分配，即產(chǎn)生了功率分 配 器，簡稱功分器。本文設(shè)計仿真的是最簡單最經(jīng)典的威爾金森功 分器，在射頻電路和測量系統(tǒng)中，如混頻器、功率放大器電路中 中的功率分配與耦合元件的性能將影響整個系統(tǒng)的通信質(zhì)量，而 微帶功分器在實踐應(yīng)用中顯得更為突出。 3.Wilki

4、nson3.Wilkinson功分器的優(yōu)點功分器的優(yōu)點 Wilkionson具有一些獨特的優(yōu)點如下：功分器可以用作合 成器,合成器也可以用作功分器，功率容量較低，可以均分輸出設(shè) 計或者不均分輸出分設(shè)計，不可以傳輸DC，隔離度高。它的這些 優(yōu)點使它具有相當(dāng)高的研究價值 u 以上幾點就是本次選題的意義所在 二 功分器的工作原理和技術(shù)指標(biāo) 1.1.基本工作原理基本工作原理 功率分配器是三端口電路結(jié)構(gòu)，其信號輸入端的輸入功率為P1， 而其它兩個輸出端的輸出功率分別為P2及P3。理論上，由能量守恒 定律可知：P1=P2+P3。若P2P3并以毫瓦分貝（dbm）來表示三端口 之間的關(guān)系，則可以寫成：P2=P

5、3=P1-3（dbm）。 u 功分器各個端口特性如下: （1）端口1 無反射 （2）端口2 和端口3 輸出電壓相等且同相 （3）端口2、端口3 輸出功率比值為任意指定值1/ 由這些條件可以確定Z02,Z03及R2,R3的值。由于端口“2”, “3”的輸出功率和輸入電壓的關(guān)系為:P2=， P3= 因為有： 又因為：U2 = U3 若?。?R2 = KZ0 則 R3 =Z0/k 由條件端口1 無反射,即要求由Zin2與Zin3并聯(lián)而成的總輸入阻抗 等于Z0。由于在中心頻率處 則 ， 均為純電阻， 所以： 2 k 2 2 2 2 1 R u 3 2 3 2 1 R u 2 32 P P K 3 2

6、3 2 2 2 2 22R U K R U 3 22 RKR 2 02 3 R Z Zin 00302 111 ZZZ 2 / 3 03 3 R Z Zin 如以輸入電阻表示功率比，則： 聯(lián)立可解得： 由于和等幅、同相，故在端口“2”，“3”間跨接一電阻R 并不 影響功分器的性能。但當(dāng)“2”，“3”兩端口外接負(fù)載不等于 ， 時， 來自負(fù)載的反射功率便分別由“2”,“3”兩端口輸入，此時該三端口 網(wǎng)絡(luò)變?yōu)楣β屎铣善?。為使?”,“3”端口彼此隔離，須在期間加 一吸收電阻R 起隔離作用。 隔離電阻的值為: 隔離電阻R 通常用鎳鎘合金或電 阻粉等材料制成的薄膜電阻。當(dāng)k= 1時,上面的結(jié)果化為功率等

7、 分情況。還可以看出,輸出線是阻抗 和 匹配的,而不與 阻抗 匹配。 22 02 2 3 2 03 2 3 2 3 1 kZ R R Z Z Z P P in in 2 002 1 kkZZ 3 2 003 1 k k ZZ 2 R 3 R k kZR 1 0 02 kZR R Z R 0 3 0 Z 2.2.功分器的技術(shù)指標(biāo)功分器的技術(shù)指標(biāo) 1.輸入端口的回波損耗 輸入端口1 的回波損耗根據(jù)輸入端口1 的反射功率和輸入功率之 比來計算: 2.插入損耗 輸入端口的插入損耗根據(jù)輸出端口的輸出功率與輸入端口1 的輸 入功率之比來計算： 3.輸出端口間的隔離度 輸出端口2 和輸出端口3 間的隔離度根

8、據(jù)輸出端口2 的輸出功率 和輸出端口3 的輸出功率之比來計算： 1111 2010SLog P P LogC i r 21 2 21 2010SLog P P LogC i 31 3 31 2010SLog P P LogC i 31 21 3 2 23 2010 S S Log P P LogC 4.功分比 當(dāng)其他端口無反射時，功分比根據(jù)輸出端口3 的輸出功率 與輸 出端口2的輸出功率 之比來計算： 5.相位平滑度 在做功率合成應(yīng)用時，功分器輸出端口的相位平滑度直接影響功 率合成的效率。 3 P 2 P 2 32 P P K 三三 功分器原理圖的設(shè)計與仿真功分器原理圖的設(shè)計與仿真 等分威爾金

9、森功分器的設(shè)計指標(biāo)等分威爾金森功分器的設(shè)計指標(biāo) 等分威爾金森功分器的設(shè)計指標(biāo): 工作頻率：2.5GHz 頻帶內(nèi)輸入端口的回波損耗：C1120dB 頻帶內(nèi)的插入損耗：C213.1dB,C3125dB 2.2.建立工程與設(shè)計原理圖建立工程與設(shè)計原理圖 建立工程：這部分主要是對ADS軟件的運用。 設(shè)計原理圖：大致分為五個小的部分，輸入端口，兩個匹配分支和 兩個輸出端口。 所用電路元件為“TLines-Microstrip”元件庫中的： ： ：一般微帶線 ：弧形微帶線 ：微帶T型結(jié) : 微帶基片 : 薄膜電阻 在微帶線器件面板中選擇MLIN與MTEE插入原理圖中，并用導(dǎo)線連接 起來，構(gòu)成功率分配器的輸

10、入端口。雙擊MLIN、，在彈出的參數(shù)設(shè) 置窗口中設(shè)置MLIN的W=w1mm、L=5mm。用同樣的方法設(shè)置MTEE的 W1=2mm，W2=w2mm和W3=w1mm。完成參數(shù)設(shè)置設(shè)計出來的輸入端口電 路，輸入端口的電路連接如圖1 所示。 圖1：輸入端口連接圖 同理，選用元件庫中的元件，搭建其余的兩個兩個支路和兩個輸出端 口并設(shè)置參數(shù)，完成如圖2,3,4,5所示 圖2： 功率分配器的一路分支線 圖3：功分器的另一支路線路 圖4：功率分配器的一個輸出端口 圖5：功率分配器的另一個輸出端口 把輸入端口電路，阻抗變換電路和輸出端口電路用導(dǎo)線連接在一起， 就構(gòu)成了一個完整的微帶型威爾金森功分器，如圖6所示。

11、 圖6：完整的功率分配器的電路圖 基本參數(shù)設(shè)置基本參數(shù)設(shè)置 由于微帶線是由金屬覆蓋在介質(zhì)材料表面構(gòu)成，不同的金屬材料和介質(zhì)材 料的電氣特性會導(dǎo)致同樣尺寸的微帶線特性阻抗不同，因此需要對微帶線 的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。微帶線的參數(shù)的設(shè)置步驟如下。 在微帶面板中選擇微帶線參數(shù)設(shè)置控件“MSUB”（微帶基板）插 入原理圖中。雙擊原理圖中的“MUSB”控件，然后再彈出的對話框中設(shè)置 參數(shù)，具體參數(shù)如下： H=0.8 mm，表示微帶線介質(zhì)基片厚度為0.8mm。 Er=4.3 mm，表示微帶線介質(zhì)基片的相對介電常 數(shù)為4.3。 Mur=1，表示微帶線介質(zhì)基片的相對磁導(dǎo)率為1。 Cond=5.88E+7，表示微

12、帶線金屬片得電導(dǎo)率 5.88E+7。 Hu=1.0e+033mm，表示微帶電路的封裝高度為 1.0e+033mm。 T=0.03mm，表示微帶線金屬片得厚度為0.33mm。 TanD=1e-4，表示微帶線的損耗角正切為1e-4。 Roungh=0mm，表示微帶線的表面粗糙度為0mm。 完成設(shè)置的MSUB控件如圖7所示： 圖7：完成設(shè)置的Msub控件 除了介質(zhì)材料和金屬材料的特性參數(shù)的設(shè)置。還需要設(shè)置圖6中每段 微帶線的尺寸參數(shù)，在設(shè)置前需要對它們的尺寸參數(shù)進(jìn)行計算。由功 率分配器的理論知識分析可以知道，輸入端口傳輸線的特性阻抗應(yīng)該 為50，可以計算出來兩支路傳輸線的特性阻抗應(yīng)為70.7。特性阻

13、 抗為50傳輸線的線寬和特性阻抗為70.7、電長度為傳輸線的線寬和 線長度都可以通過傳輸線計算工具“LineCalc”計算 通過“LineCalc”計算的結(jié)果是:輸入口微帶線寬度1.520840mm， 匹配段的線寬為0.788532mm，線長為17.130700mm（約為四分之一 波長）。然后通過ADS軟件中的“VAR”控件將參數(shù)應(yīng)用到功率分配器 的各段傳輸線中去。分別為W1=1.520840mm，W2=0.788532mm， LH=6.5(此處不設(shè)單位，在設(shè)置微帶線時另行設(shè)定)。 完成“VAR”參數(shù)的設(shè)定后,依次雙擊原理圖中功分器的各段微帶 線,并設(shè)置微帶線的寬度W 與長度L,單位為mm。具

14、體的變量設(shè)置如圖8 所示。 4/ 圖8：完整的微帶型威爾金森功分器的電路原理圖 功分器原理圖仿真功分器原理圖仿真 完成原理圖的設(shè)計后，就可以對功率分配器的原理 圖進(jìn)行仿真，根據(jù)設(shè)計指標(biāo)的要求。主要對它的電路S 參數(shù)進(jìn)行仿真和分析，原理圖的仿真步驟如下： 在原理圖設(shè)計窗口中選擇S 參數(shù)仿真軟件面板“Simulation- S_Param”，選擇S 參數(shù)掃描控件插入原理圖中，雙擊原理圖中的 控件“SP”對其參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，選擇掃描類型“Sweep Type”為線 性“Linear”，根據(jù)功分器的指標(biāo)設(shè)置掃描的頻率范圍和步長 “Start”為2GHz,“Stop”為3GHz，“Step-size”為0

15、.01GHz。 選擇元件“Term” 放置在功分器3 個端口上，用來定義端口1、2 和3，然后單擊工具欄的圖標(biāo)，放置3 個“地”與“Term”相連， 完整的電路圖如圖9所示。 圖9：用于S參數(shù)仿真的電路圖 完成所有的連接和仿真參數(shù)設(shè)置后,就可以對電路進(jìn)行S 參數(shù)進(jìn)行 仿真。分別將S（11）、S(21)、S(31)、S(23)、S（32）添加到數(shù) 據(jù)顯示窗口，最終的S參數(shù)如圖10所示。 圖10：參數(shù)仿真結(jié)果圖 采取理論計算的結(jié)果作為功分器的參數(shù)時，各個指標(biāo)可能不是最理 想的，所以還需要對其進(jìn)行優(yōu)化。 功分器的電路參數(shù)的優(yōu)化功分器的電路參數(shù)的優(yōu)化 為了實現(xiàn)輸入匹配，輸入端口傳輸線的特性阻抗必須為5

16、0因此必 須使w1=1.520840以達(dá)到輸入阻抗的匹配。這里主要通過改變w2 和 LH這兩個變量的值，優(yōu)化系統(tǒng)的各個指標(biāo)，以實現(xiàn)阻抗匹配。為了 達(dá)到改變w2 和lh 這兩個變量值得目的，首先需要在VAR 控件中設(shè) 定這兩個變量的范圍。將LH的優(yōu)化范圍設(shè)置為5-20，W2的優(yōu)化范圍 設(shè)置為0.7-0.9. 設(shè)置完成優(yōu)化參數(shù)w2 和LH后，還需要選擇優(yōu)化方式和優(yōu)化目標(biāo)。這 里總共設(shè)置了4 個優(yōu)化目標(biāo)，所以需要一個“optim”控件和4 個 Goal 控件，分別優(yōu)化S(1,1)、S(2,2)、S(2,1)和S(2,3)。因為電路 的對稱性，S(3,1)和S(3,3)不用設(shè)置優(yōu)化，S(1,1)和S(2,2)分別用 來設(shè)定輸入輸出端口的反射系數(shù)，S(2,1)用來設(shè)定功分器通帶內(nèi)的 衰減情況，S(2,3)用來設(shè)定兩個輸出端口的隔離度。并對優(yōu)化控件 進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。加入優(yōu)化控件后的完整電路圖如圖11所示。 圖11:加入優(yōu)化元件后的功分器原理圖 優(yōu)化完成后，下面觀察優(yōu)化后的仿真曲線。必須關(guān)掉優(yōu)化控件，才 能觀察仿真的曲線。最終仿真結(jié)果同樣如圖12所示 圖11：優(yōu)化后的S 參數(shù)仿真結(jié)果圖 四四 功分器的版圖生成與仿真功分器的版圖生成與仿真 功分器版圖的生成功分器版圖的生成 關(guān)掉優(yōu)化控件“Optim”和4 個“Goal”元件。在進(jìn)行版圖生 成時，他們就不會出現(xiàn)在所生成的版圖中。然后進(jìn)行版