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 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 RadiationLaboratory 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 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 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 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 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 3L C式集总参数功分器 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 2 ADS设计与仿真 1 创建新项目启动ADS2009选择Mainwindows菜单栏 File NewProject 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 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 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 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Mainwindows菜单栏 File NewProject 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S21与S12曲线是相同的 仿真曲线如图9 7所示 图9 7仿真曲线 9 3Wilkinson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 9Wilkinson功分器 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欧姆 并联电阻为50欧姆 1 创建新项目启动ADS2009选择Mainwindows菜单栏 File NewProject 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 点击菜单栏 Tools LineCalc StartLinecalc 出现新窗口 如图9 11所示在窗口的 SubstrateParameters 栏中填入与MSUB中相同的微带线参数在 ComponentParameters 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 10Wilkinson功分器连接方式 图9 11LineCalc主界面 填入Z0 50Ohm可以算出微带线的线宽1 52mm 填入Z0 70 7Ohm和E Eff 90deg可以算出微带线的线宽0 79mm和长度42 9mm 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 InstanceName 栏中填变量名称 VariableValue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 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 13Wilkinson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 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 UpdateOptimizationValues 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 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 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 UpdateLayout 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 19Layout层设置窗口图9 20Layout层状态窗口 图9 21Wilkinson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 UpdateFromSchematic 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 paramete