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、波導魔t和使用同軸探針的各種類型的功分

2、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)絡結構，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

3、）如果p2（dbm）=p3(dbm)，三端口功率間的關系可寫成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主要技術指標 功分器的主要技術指標包括頻率范圍、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，功分器的設計結構與工作頻率密切相關。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outindppalg10outinkp

4、p diaaa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上與功分器的主路分配比ad有關。其定義為 （9-2）式中 例如兩等分功分器的分配損耗是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）的介質或導體不理想等因素產(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

5、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outjiniijppalg10 （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，按結構分成形和

6、y形，圖9-2所示。 (a) 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=50，則110323421uuu03243uuu1221uudbuu6lg20122. l-c式這種電路利用電感及電容進行設計。按結構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 (b) 高通型圖9-3 l-c式集總參數(shù)功分器000000212fzczlps00000022fzczlsp（1）低通型 （9-5）

7、（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構，再計算出各個電感，電容或電阻的值，最后，按照確定的電路結構進行設計。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10.02ghz的范圍內(nèi)s11-14db，s21-4db，s31 -4db。1.電路結構的選擇及參數(shù)計算選擇高通型l-c式電路結構如圖9-3（b）所示。按照式（9-6）計算得。nhlp96. 7pfcs5 . 42.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

8、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“l(fā)umped-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。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，仿真結束后會出現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示窗口點擊顯示窗口左側工具欄中 按鈕，彈出設置窗口，在窗口左側的列表里選擇s(1,1)即

9、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。m 3f req=db(s(1, 1)=-13. 6261. 000g hzm 2f req=db(s(2, 1)=-3. 979980. 0m hzm 1f req=db(s(3, 1)=-3. 0621. 000g hz0. 920. 940. 960. 981. 001. 021. 041. 061. 080. 901. 10-14-12-10-8-6-4-2-160f req, g hzdb(s(1,1)

10、r eadoutm 3db(s(2,1)r eadoutm 2db(s(3,1)r eadoutm 1m 3f req=db(s(1, 1)=-13. 6261. 000g hzm 2f req=db(s(2, 1)=-3. 979980. 0m hzm 1f req=db(s(3, 1)=-3. 0621. 000g hz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

11、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75050mhz的范圍內(nèi) nhls10pfcp4 . 11. 電路結構選擇及參數(shù)計算選擇低通型l-c式電路結構如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“l(fā)umped-components”類中，分別選擇控件、 ，在 “simulation -s_param”類中

12、，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)顯示窗口左側工具欄中的 按鈕，彈出設置窗口，在窗口左側的列 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構，s11與 s22，以及

13、s21與s12曲線是相同的。仿真曲線如圖9-7所示m 1f req=db(s(2, 1)=-1. 037750. 0m hzm 2f req=db(s(3, 1)=-9. 843700. 0m hzm 3f req=db(s(1, 1)=-13. 178750. 0m hz650700750800850600900-16-14-12-10-8-6-4-2-180f req, m hzdb(s(1, 1)r eadoutm 3db(s(2, 1)r eadoutm 1db(s(3, 1)700. 0m-9. 843 m 2m 1f req=db(s(2, 1)=-1. 037750. 0m hz

14、m 2f req=db(s(3, 1)=-9. 843700. 0m hzm 3f req=db(s(1, 1)=-13. 178750. 0m hz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，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。由于存在傳輸線損耗，這種結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型結 (b) h平面波導t型結 (c) 微帶t型結圖9-8各種t

15、型結功分器根據(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。可以利用兩個較簡單的電路（在輸出端口用對稱和反對稱源驅動）對電路進行分析。具體分析過程請讀者自行查閱相關資料。 (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3 . 4r9.3.1wilkinson功分器設計利用 厚度h=0.8mm的介質基板，設計wilk

16、inson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)中。選擇畫線工

17、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“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

18、， 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。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

19、擇【tuning】選項卡，按鈕設置變量 的取值范圍enabled/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，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-

20、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

21、-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

22、鈕，然后點擊優(yōu)化控件optim，則控件打上紅叉表示已關掉。關閉優(yōu)化控件后原理圖，如圖9-16所示。圖9-16 關閉控件后的原理圖（6）點擊工具欄按鈕進行仿真，仿真結束后會出現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示窗口。（7）點擊數(shù)據(jù)顯示窗口左側工具欄中的 按鈕，彈出設置窗口，在窗口左側的列表里選擇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。m 1f r eq=db ( s ( 1, 1) ) =- 45. 2201. 000g h z0. 920. 940. 960

23、. 981. 001. 021. 041. 061. 080. 901. 10- 45- 40- 35- 30- 50- 25freq, g h zdb(s(1,1)r eadoutm 1m 1f r eq=db ( s ( 1, 1) ) =- 45. 2201. 000g h zm 2f r eq=db ( s ( 3, 1) ) =- 3. 0601. 000g h z0. 920. 940. 960. 981. 001. 021. 041. 061. 080. 901. 10- 3. 074- 3. 072- 3. 070- 3. 068- 3. 066- 3. 064- 3. 062

24、- 3. 076- 3. 060freq, g h zdb(s(3,1)r eadoutm 2m 2f r eq=db ( s ( 3, 1) ) =- 3. 0601. 000g h zm 3f r eq=db ( s ( 2, 1) ) =- 3. 0601. 000g h z0. 920. 940. 960. 981. 001. 021. 041. 061. 080. 901. 10- 3. 074- 3. 072- 3. 070- 3. 068- 3. 066- 3. 064- 3. 062- 3. 076- 3. 060freq, g h zdb(s(2,1)1. 000g- 3.

25、060 m 3m 3f r eq=db ( s ( 2, 1) ) =- 3. 0601. 000g h zm 4f r eq=db ( s ( 2, 3) ) =- 25. 1281. 000g h z0. 920. 940. 960. 981. 001. 021. 041. 061. 080. 901. 10- 25. 0- 24. 5- 24. 0- 23. 5- 23. 0- 22. 5- 22. 0- 25. 5- 21. 5freq, g h zdb(s(2,3)r eadoutm 4m 4f r eq=db ( s ( 2, 3) ) =- 25. 1281. 000g h z圖

26、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)在生成的原理圖中。去掉的方法與前面關掉優(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

27、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 layout層狀態(tài)窗口 圖9-21 wilkinson功分器版圖 圖9-22 微帶介質參數(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參數(shù)仿真在功分器兩側添加兩個端口。點擊工具欄上的port按鈕，彈出port設置窗口，點擊按

28、鈕 ，關閉該窗口，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，所以點數(shù)不要取得太多)。然后點擊“update”按鈕，將設置填入左側列表中，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

29、真曲線如圖9-25所示。m 2freq=db(s(2,1)=-3.0131.000g hz0. 920. 940. 960. 981. 001. 021. 041. 061. 080. 901. 10- 3. 030- 3. 025- 3. 020- 3. 015- 3. 035- 3. 010freq, g h zdb(s(2,1)readoutm 2m 2freq=db(s(2,1)=-3.0131.000g hzm 4freq=db(s(3,1)=-3.0121.000g hz0. 920. 940. 960. 981. 001. 021. 041. 061. 080. 901. 10- 3. 030- 3. 025- 3. 020- 3. 015- 3. 035