功分器的研究.doc

。功分器的研究电子信息工程专业 杨海波指 导 老 师 李俊生摘 要：在微波电路中，为了将功率按一定的比例分成两路或者多路，需要使用功率分配器。而功率分配器反过来使用就是功率合成器，所以通常功率分配/合成器简称为功分器。在近代微波大功率固态发射源的功率放大器中广泛地使用着功率分配器，而且功率分配器常是成对的使用，先将功率分成若干份，然后分别放大，再合成输出。本论文的工作主要是对功分器的相关组件及其原理进行研究和分析。对比了几种常见的微带功分器，并着重利用奇偶模分析法对Wilkinson N路功率分配器进行分析阐述。最后我们设计仿真了一个功分器，并且达到了我们设计制作的要求。关键词：功分器，功率合成，MO软件，设计与仿真1 引言1.1研究的背景与意义人类进入二十世纪以来，随着现代电子和通信技术的飞速发展，信息交流越发频繁，各种各样的电子电汽设备已经大大影响到各个领域企业及家庭。无论哪个频段工作的电子设备，都需要各种功能的元器件，既有如电容、电感、电阻、功分器等无源器件，以实现信号匹配、分配、滤波等；又有有源器件共同作用。微波系统不例外地有各种无源、有源器件，它们的功能是对微波信号进行必要的处理或变换。现代无源器件中，微带功分器从质量及重量上都日显重要。1.2功分器的产生与发展在微波电路中，为了将功率按一定的比例分成两路或者多路，需要使用功率分配器。功率分配器反过来使用就是功率合成器，所以通常功率分配/合成器简称为功分器。在近代微波大功率固态发射源的功率放大器中广泛地使用着功率分配器，而且功率分配器常是成对的使用，先将功率分成若干份，然后分别放大，再合成输出。1960年，Ernest J. Wilkinson发表了名为An N-way Hybird Power Divede的论文中介绍了一种在所有端口均匹配、低损耗、高隔离度、同相的N端口功分器。以后的研究人员便称这种类型的功分器为威尔金森功分器。最初它的原始模型是同轴形式，此后在微带和带状线结构上得到了广泛地应用和发展，工程中大量使用的是微带线形式，大功率情况下也会用到空气带状线或空气同轴线形式。和其他的微带电路元件一样，功率分配器也有一定的频率特性。当频带边缘频率之比f1/f2=1.44时，输入驻波比（VSWR）1.22时，输入驻波比（VSWR）下降到1.42，两端口隔离度只有14.7dB。威尔金森功分器的狭窄带宽限制了其在宽带系统中的应用。为了进一步加宽工作带宽，可以用多节的宽频功率分配器，即增加g/4线段和相应的隔离电阻R的数目。目前常见的微波功分器是采用微带线或腔体波导等结构的分布参数功分器。腔体波导功分器插损小、平衡度好，但隔离度较差，制作工艺较复杂，微带功分器制作简单，但相对带宽较小。而且以上分布参数功分器仅限于微波波段的窄频带应用，在微波频段以下，小型化、宽带功分器的制作比较困难。1.3 国内研究进展我国对于微带功分器方面的技术研究报道还比较少，钟哲夫曾在空间合成高功率微波方面做了一些深入探讨，提出每支常规大功率管子供给一个输出喇叭、多支喇叭组成阵列,使辐射场在空间合成高功率微波束，重点研究了各种馈源输出喇叭阵列合成性能。汪海洋曾对高功率合成的关键技术，如锁相源、高功率移相器、功率合成器进行了讨论分析。并结合实验室实际情况，提出了以三端口输出相对论磁控管作为相干高功率微波源进行高功率合成技术研究的方案。理论计算和三维电磁仿真软件HFSS结合，设计了一种高功率微波介质移相器和波导型功率合成器，给出了具体设计参数。国内其他学者对功率合成技术也进行了相关研究。1.4 本论文的内容和结构本论文一共由五章组成:第一章是引言部分，首先介绍了本论文的背景及研究意义，然后阐述了功分器的发展过程，以及其在现代电子领域的巨大作用。第二章是软件介绍部分，主要介绍了Microwave Office 软件的作用及其独有的功能特色。第三章是理论分析部分，主要介绍了微带功分器的基本原理，以及对各种不同的功分器的比较。第四章为功分器的设计仿真部分，给出了基于MO软件的微带功分器的设计与仿真，同时给出了设计与仿真的结果。第五章为总结与展望部分，主要是对本论文的主要工作进行了总结，指出论文的创新与不足以及需要进一步完善的地方，最后提出了对于该课题进一步研究的个人见解。2 软件介绍2.1 MO软件概述随着微波、射频系统设计的复杂化、电路指标的要求的日益提高、电路功能的日益强大、电路尺寸的减小以及设计周期的持续缩短，传统的设计方法已经远远不能满足微波电路的设计需求。人们逐渐用微波、射频EDA软件代替传统的手工设计方式。各种微波元器件与系统的设计软件在射频领域主要有Agilent公司的ADS软件、Ansoft公司的HFSS、Designer软件等。也有诸如Microwave Office（MO）软件、Ansoft Serenade软件、 CTS软件、Zeland软件、 XFDTD软件、Sonnet软件等软件。Microwave Office软件是AWR公司发行的通过模拟器进行模拟和仿真的微波电路平面设计软件。该设计套件提供了业界最强大、最灵活的射频/微波设计环境。该套件可对所有微波/射频相关产品进行设计和开发，包括单片微波集成电路（MMIC）、低温共烧陶瓷（LTCC）、混合微波集成电路（MIC）、射频集成芯片（RFIC）、多层印制电路板（PCB）、混合信号或高速数字信号的SI 分析。该套件基于统一的设计平台，实现了精度和速度的最优化，并提供前所未有的开放性和交互性，不仅易于使用，还能在设计过程的各个阶段整合业界一流的工具。该套件提供全面的微波/射频设计和分析功能，拥有先进的仿真技术，强大的自动电路提取技术，整合多种仿真工具，具有方便的参扫优化调谐功能。Microwave Office 旨在帮助设计人员提高效率，缩短设计周期，并加速射频/微波产品上市。2.2 MO软件功能特色2.2.1 适合射频芯片、射频模块及PCB的集成开发环境通过 Microwave Office 一体化的设计和分析集成环境可建立完善的开发流程，可以对单片微波集成芯片（MMIC）、射频模块电路及印制电路板（PCB）进行高效的设计和分析。2.2.2 全面集成APLAC 先进的射频仿真技术 Microwave Office 在独有的开放式AWR 设计环境中整合了APLAC 卓越的RF 仿真技术和AWR 自带的强大仿真器，可将各种模块和非线性设计在一个整合的平台下进行强大而快速的仿真。APLAC 的线性、交流、噪声、谐波平衡和瞬态仿真器均已集成，可进行精确的测量。AWR XML 库也可以使用APLAC 本地网表进行建模。利用APLAC 脚本语言丰富的编程能力，可轻松开发任何类型的模型。APLAC 的射频设计技术长期以来被广泛地用于诺基亚手机的设计，全球超过30%的移动电话射频集成电路（RFIC）使用该技术设计。2.2.3 拥有ACE自动电路提取技术Microwave Office 设计套件采用创新的ACE 电路提取技术，将复杂互连线的初始建模时间从几个小时神奇般地缩短为数秒钟。新技术可使设计人员在设计的初始阶段就建立互连线模型，尽早地发现和解决问题，从而大大减少将来重新设计所耗费的时间和开销。现状，用户可以抛弃基于电路图的传统设计流程，而采用基于布局的模型进行电路提取。通过完善的机制，使结构的标记和分区自动存入预先设定的模型中，实现布局导向的仿真。2.2.4 集成强大的VSS RF Inspector仿真工具Microwave Office 集成了AWR 最新的VSS RF Inspector 技术，可以在集成环境中进行系统级的频域仿真。新工具可以帮助设计人员在系统级设计阶段中尽早发现潜在问题，从而大大缩短了设计周期，加速产品上市。用户可以找出射频链路互调分量的根本原因，包括混频、谐波、互调和噪声的影响。这使得用户可将有害的干扰进行隔离，从而改进整个射频系统的结构。2.2.5 提供AWR独有的Xmodels模型AWR向有意于整合到Microwave Office环境的第三方EM软件商提供AWR Xmodels的开放接口。为了模拟不连续处的等效电路，Xmodels提供一组不连续模型，使用为确定不连续参数进行全波场分析得到的结果，以便表征不连续的电气性能。这些模型为用户提供了最精确的不连续模型，并可以相当快的速度进行优化、参扫和输出分析。AWR Xmodels已被证实是一个高效和可信的全波EM仿真的补充，不仅使得各种其它重要电路的分析在同一个平台下完成，而且在电路仿真精度上提供了重要的改进。2.2.6 为第三方提供EM Socket II接口AWR 建立EM Socket开放式标准接口，以便实现对用户提供更灵活性设计的承诺。EM接口可以使用户在不退出Microwave Office的集成环境下进入多种主流的EM工具。EM操作和可视化特征曾经是AWR EMSight技术颇具价值的一部分，现在则是对第三方工具EM接口的一部分。这使得通过EM Socket可进入CST、Flomerics、Optimal、Sonnet、Zeland等工具中的动态电流和三维电磁场分布显示。2.2.7 完美整合EM和布局编辑器原先独立的EM 和布局编辑器如今已经合二为一，缩短了设计人员多学习一个编辑环境的时间，也减少了两个编辑器之间转换的工作量。Microwave Office提供新的时域波形测量以配合谐波平衡仿真和时域仿真器，通用的眼图和时域波形图如今可以转化为熟知的参数。这些参数可以清晰地表征并用于优化、设计综合及输出分析。2.2.8 集成Nuhertz滤波器综合方案Microwave Office整合了业界领先的Nuhertz 滤波器综合技术。高频电路设计者可以在统一的AWR设计平台下快速而轻松地进行精确的滤波器综合。为无源和传输线滤波器提供完整的综合功能，提供两个图形化用户接口（GUIs），一个面向需要额外选项和功能高级用户，另一个则面向需要易用性的主流用户。直观的、方便的、向导式的GUI 使得偶尔接触滤波器的设计者只需短短几个步骤就可以得到所有常见滤波器和双工器结构的综合及规格尺寸。对于高级用户，只需点一下鼠标就可以进入全面的Nuhertz GUI，为细节分析、设计综合及制造权衡快速生成数据。综合电路图和相关的分析随后可直接在AWR 设计平台存储并浏览。2.2.9 高速SiP和模块设计的理想平台Microwave Office是唯一一个明确支持SiP和模块共存设计的射频/微波设计平台。在所有的层次和构成上，多种技术实时共同作用，同时产生版图，同时进行仿真。不管是MMIC、IC、模块、SiP还是PCB，无需典型的布局单元或仿真行为模型。更重要的是，AWR独有的BWIRES模型，内含逼真的三维EM和IC封装的调谐及优化功能，使得共存设计成为现实而不仅仅只是“纸上谈兵”。3 功分器的分类、原理3.1 功分器的分类：功分器从结构上分为两大类：(一)无源功分器，它的主要特点是：工作稳定，结构间单，基本上无噪声；而它的主要缺点是接入损耗太大。(二)有源功分器由放大器组成，它的主要特点是:有增益，隔离度较高，而它的主要缺点是有噪声，结构相对复杂一些，工作稳定性相对较差。功分器输出的端口有二功分，三功分，四功分，六功分，八功分，十二功分。 下面对几种常见的微带功分器进行分析与对比：一、微带分支线定向耦合器微带分支线定向耦合器的结构如图1所示，它由两根平行导带组成，通过两条分支导带实现耦合，分支导带的长度及其间隔均为四分之一线上波长。理想情况下端口1输入无反射，输入的功率由2、3端口输出，端口4无输出，即1、4端口相互隔离。由微波理论中的奇偶模分析法可以计算出，对于功率平分的情况，分支导带的特性阻抗与输入输出线相同，而平行导带的特性阻抗为输入输出线的1/，S12与S13有/2的相位差。微带分支线电桥主要用作微带平衡混频器，由于端口1和4相互隔离，故本振和信号互不影响，同时由微带线的平面特性，混频晶体很容易连接在端口上，电路结构既简单又紧凑。图1 微带分支线定向耦合器二、Wilkinson功分器Wilkinson功分器的结构如图2所示，其输入线和输出线的特性阻抗都是。对于功率平分的情况，输入和输出口间的分支线特性阻抗=，线长为四分之一线上波长，在分支线末端跨接一个电阻R，其值为2。由微波理论可以证明，这种功分器当2、3口接匹配负载时，1口的输入无反射，反过来对2、3口也如此。由端口1输入的功率被平分到端口2和3，且2、3端口间相互隔离。图2 Wilkinson功率二分器以上的分析都是对中心频率而言的情形，实际上能够证明Wilkinson功分器的频响特性是很不错的，其频带比单节微带分支线电桥要宽的多。三、双线二分器双线二分器的结构如图3所示，它的结构很简单，而且能够根据给定的输入阻抗灵活地调整分支线的特性阻抗以达到良好的匹配，因此在天线的馈电网络设计中得到了广泛应用，但它的缺点在于输出端之间没有很好的隔离。图3 双线二分器对上述几种功分器的性能作对比如下：功分器类型 性能频带输出隔离同相输出输出损耗结构分支线定向耦合器窄有否大（路径长了）简单wilkinson功分器宽有是小简单，有集总参数元件双线二分线宽没有是？简单3.2 功分器的原理：3.2.1 功率分配器/合成器基本原理简述在毫米波雷达固态发射机中，为了提高系统的输出功率，往往要采用功率分配/合成器，而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。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微波网络，如图4所示，即为N路功率分配器的基本原理图。传输线图4 N路等分功率分配器/合成器的等效电路 N路等功分器电路结构实际就是将特性阻抗为R。的输入传输线分成N条阻抗相同的支线。为了保证输入端的阻抗匹配，在输入线的交叉口各路支线中引入特性阻抗为 (1)及长度为 （2）的阻抗变换线传输线段，然后再以特性阻抗为R。的传输线引至各自的负载。 如果要求N路的输出功率不等，且输出功率的比值为: ，即为不等分功率分配器，如图5所示。各路支线含有2节阻抗分别为 （i =1,2, N） （i =1,2, N） (3)K=+的传输线。各节线的长度都为/4。他们的作用是使各路的功率按所需的比例输出，且保证功率分配器的输入功率与源阻抗匹配。传输线节N图5 N路不等分功率分配器等效电路这两种功率分配器的主要优点是加工简单，利用微带线和带状线等平面电路均可实现。但同时也具有严重的缺点，其输出端是不匹配的，并且路数越多失配越严重，同时各输出端口之间隔离度很小，电路的频带较窄，只适用于分配路数较少的情况。3.2.2 利用奇偶模分析法对Wilkinson N路功率分配器进行分析在前面己经提到两种功率分配器的显著缺点，为了弥补其不足，在毫米波微波功率合成系统中，一般采用如图6所示的功率均分的混合型N路功率分配器。该等功率分配器为更一般的形式，即为信号源内阻和各路的负载阻抗不相等的情况。在这种情况下，各路支线中的阻抗变换节的特性阻抗应该为 (4)式中N为功率分配器输出的路数。此阻抗变换节的电长度在中心频率上应该/2。图6 混合型N路等功率分配器等效电路混合性功率分配器与简单的功率分配器的不同之处，主要在于前者的各路输出端口均通过一个隔离电阻与以公共接点相连。这一措施即改善了输出端的匹配，又增大了输出端之间的隔离。考虑到该混合型功率分配器的结构对称性，我们可以将其采用电路理论等效为等效四端口网络的形式，然后采用奇偶模分析法对这种N路功分器进行分析。以期获得电路参数。假设在N个输出端口的任意一个端口加入一个电压源V，那么在其余N-1个端口分配的功率，设为，等价于在等效电阻的上分配的功率。而分配到任何一个端口的功率为。同时将信号源内阻，分成两个电阻并联的形式，各自的阻值为，和N/(N-1)。因此，图6中其余N-1个内阻和传输线的特性阻抗均乘了一个1/(N一1)的因子。通过选择电压为NV=V+(N一l)V和在端口4串联加载电压十V和-V，从而将图6中的N路功率分配器等效为如图7所示的四端口网络形式。这样我们就可以采用在四端口网络中经常采用的奇偶模分法来确定该等效网络的参数。从而确定N路等功率分配器的参数。图7 等效四端口网络对于偶模的情况，相当于在端口4处串接激励电压+V，而奇模的情况则相当于在端口4处串接激励电压-V，分别如图8中(a)(b)所示。 图8 (a) 偶模情况 (b)奇模情况图8(a)对应偶模的情况，图中流过电阻/(N一1)的电流为 (5)其中;l的长度要保证在中心频率上。图8(b)对应奇模的情况，图中通过电阻的奇模电流为 （6）总电流为I。与之和，则分配到负载上的功率为 （7） 而分配到其他任意一个端口的功率为 (8)隔离度的定义为 （9） 其中为端口1处的可用功率，其定义为 (10)将(5)和(6)代入(8)式可以确定月，从而根据(9)与(10)可以确定隔离度 (11)其中 = (12)在功分器的输入端端口O处的VSWR的定义为 （13）其中 （14）从而可以得出功分器在任意频率下的分布损耗 (15)在特殊情况=时，利用同样的方法，可以求出N路功率分配器的隔离度为 (16)输入端口的VSWR为 (17)式中 （18）我们可以根据(11)作出隔离度作为0的函数在N变动时的曲线，从而可以估计出N路功分器在一定隔离度下的带宽性能。同样也可以根据(13)作出VSWR作为e的函数在N变动的曲线，从而可以估计出分配到每个端口的功率。4 设计仿真功分器工作频率为：4GHz-10GHz；介质板子参数选择Er=9.8，H=10 mil；金属厚度T=0.7mil。基于MO软件的微带功分器的设计及仿真可以分为以下几步：一、创建工作界面1、启动MO软件并选择创建新项目，在Project属性按钮中选中Circuit Schematics,右击鼠标在弹出菜单中选择Create New Schematics在弹出的文本框中输入power assigner，点击OK。图9弹出图10所示工作平面：图10 工作平面2、单击Element属性按钮，双击,在弹出的下拉列表中选择Bends并打开,选中MCURVE，如图11，将其拖拽到power assigner工作平面中：图11 拐角图重复上述操作，将MTRACE、MTEEX$、MLIN、TFR、以及端口PORT也拖拽到工作平面中，并排列整齐，用线连接起来。图 12 仿真原理图二、参数设置设定优化调试参数：图13 优化调试参数1、选中MTRACE元件，将其W参数设置为win mil,L参数设置为100 mil：图14 MTRACE 元件重复上述操作，对窗体中其他元件参数作如下设置：MLIN*1：W=width1 mil，L=width2 milMLIN*2：W=width1 mil，L=width2 milMLIN*3：W=width2 mil，L=loff milMLIN*4：W=width2 mil，L=loff milMLIN*5：W=width3 mil，L=loff milMLIN*6：W=width3 mil，L=loff milMCURVE*1:W=width1 mil,ANG=180 Deg,R=radius1 milMCURVE*2:W=width1 mil,ANG=180 Deg,R=radius1 milMCURVE*3:W=width2 mil,ANG=180 Deg,R=radius3 milMCURVE*4:W=width2 mil,ANG=90 Deg,R=radius2 milMCURVE*5:W=width2 mil,ANG=90 Deg,R=radius2 milMCURVE*6:W=width2 mil,ANG=180 Deg,R=radius3 milMCURVE*7:W=width3 mil,ANG=180 Deg,R=radius5 milMCURVE*8:W=width3 mil,ANG=90 Deg,R=radius4 milMCURVE*9:W=width3 mil,ANG=90 Deg,R=radius4 milMCURVE*10:W=width3 mil,ANG=180 Deg,R=radius5 milMCURVE*11:W=width4 mil,ANG=90 Deg,R= final_radius milMCURVE*12:W=width4 mil,ANG=90 Deg,R= final_radius milTFR*1：W=8 mil,L=win mil,F=0GHZTFR*2：W=8 mil,L=win mil,F=0GHZTFR*3：W=8 mil,L=win mil,F=0GHZ2、单击,在弹出的元件库中将MSUB元件(介质)拖拽到工作平面中，并对其参数作如下设置：Er=9.8，H=10mil,T=0.7mil,ErNom=9.8 图15 介质参数3、单击菜单栏中的Zoom Out工具,将仿真图缩小，获得总体缩略图：图16 总体缩略图4、在Project属性按钮中双击,弹出Projict Options窗口：图 17 工作频率设置5、在弹出的窗口中将start赋值4GHZ,stop赋值10GHZ,step赋值0.5GHZ,点击Apply ,获得Current Range仿真参数：图18 仿真参数三、完成模型的创建1、右击选择Add Graphs打开Create Graph界面：图19 设置参数结果窗口Graph name采用默认值Graph 1，点击OK，新建Graph 1界面：图20 参数结果窗口2、右击Graph下拉列表中的，选择Add Measurement to Graph 1,在打开的界面中将Data Source Name更改为power assigner, To Port Index与From Port Index默认值均为1，点击Apply。图 21 参数设置窗口重复上述操作，将To Port Index改为2并点击Apply，再将From Port Index改为3，再一次点击Apply，点击确定，得到如图22所示界面：图 22 参数显示窗口四、仿真及调试1、点击菜单栏中的Analyze工具,弹出图23所示界面： 图 23 仿真结果图2、点击菜单栏中的Window 选择power assigner, 用Tune tool工具将TFR元件的W、L参数改为蓝色。如图24所示：图 24 TFR元件图3、点击菜单栏中的tune工具 ，打开Variable Tuner界面：图 25 调试工具图4、打开Graph 1界面，调节TL2:L、TL2:W，使图像达到最佳状态： （a） (b)图 26 仿真效果图关闭Variable Tuner界面，打开平面与3D图： (c) (d) 图 27 平面图与3D图图26(a)(b)是微带功分器设计成功之后仿真效果图，图27(c)(d)是微带功分器设计平面图与3D图，图形显示的结果是比较理想的。5 结论功分器由于拥有众多的优点，具有很好的功率合成性能，愈来愈受到人们的重视。随着研究的深入，功分器在电子系统领域中展现了广阔的应用前景。近年来人们对微波和毫米波功率源的合成方法及其发展表现出极大的兴趣。随着可靠的固态功率源的出现，人们更加重视对功率合成方法的研究。在本文中我们对电路功率合成相关组件进行了仿真设计，讨论了功分器的类型，并对其理论进行了研究分析。通过上述工作，不但对毫米波功率合成器的研究有着积极的意义，也使我对整个电磁场理论，天线理论以及微波集成电路也有了更进一步的认识，为我以后的工作和学习打下了良好的基础。致 谢在论文完成之际，我要特别感谢李俊生老师的热情关怀和悉心指导。本课题在选题、构思、资料的收集以及研究过程中得到李老师的悉心指导和无私的帮助。在论文的写作过程中，也得到了许多同学的宝贵建议，在此一并致以诚挚的谢意。 感谢所有关心、支持、帮助过我的良师益友。 衷心地感谢在百忙之中评阅我的设计论文和参加答辩的各位老师！参考文献1林宏明.几种新型功分器.电子技术参考 ,1991.12陈凯.一种宽频带3dB微带功分器的设计.上海航天局804研究所，2009.123葛俊祥.毫米波空间功率合成技术及其发展.电子学报vol.23.No.10 Oct 19954陈锡斌.微波平面电路设计的强大工具：软件“MicrowaveOffice”介绍.无线通信技术, 20005甘仲明.毫米波通信技术与系统.北京电子工业出版社，20036薛良金.毫米波工程基础.哈尔滨工业大学出版社，20047周扬.微波功率合成器设计研究.成都电子科技大学，2007.68周涛.毫米波固态大功率合成/放大器的研究.成都电子科技大学，2002.39杨现、孙礼.谐振式无电阻功率分配/合成器.哈尔滨工业大学学报，Vol.27 .No .210谢文锴、刘盛纲.一类新型的准光功率合成系统.