第九章功率分配器的设计与仿真

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

2、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p1，而其他两个端口的功率分别为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。（2）承受功率outindppalg10outinkp

4、p diaaa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负载，主路到某一支路间

5、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outjiniijppalg10 （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

6、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110323421uuu03243uuu1221uudbuu6lg20122. 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000000212fzczlps00000022fzczlsp（1）低通型 （9-5）

7、（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10.02ghz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。nhlp96. 7pfcs5 . 42.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

8、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

9、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。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

11、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75050mhz的范围内 nhls10pfcp4 . 11. 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

12、，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

13、s21与s12曲线是相同的。仿真曲线如图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

15、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3 . 4r9.3.1wilkinson功分器设计利用 厚度h=0.8mm的介质基板，设计wilk

16、inson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

17、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

18、， 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z0=50 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

19、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-

20、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

21、-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

22、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。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图

26、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

27、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

28、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

29、真曲线如图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