射频功分器一分三的设计毕设论文

安徽建筑工业学院安徽建筑工业学院 毕毕 业业 设设 计计 论论 文文 专专 业业 通 信 工 程 班班 级级 08 通信 2 班 学生姓名学生姓名 刘 静 学学 号号 08205040205 课课 题题 基于 ADS 的微波器件设计与仿真 1 分 3 功分器的设计与仿真 指导教师指导教师 彭 金 花 2012 年 6 月 摘 要 随着现代电子和通信技术的飞跃发展 信息交流越发频繁 各种各样电子 电气设备已大大影响到各个领域的企业及家庭 在微波通信领域 随着微波技 术的发展 功分器作为一个重要的器件 其性能对系统有不可忽略的影响 因 此其研制技术也需要不断的改进 本文首先对功分器的基本理论 性能指标作了简单介绍 然后阐述了一个 具体的一分三功分器的设计思路和过程 并给出了设计的电路结构 仿真结果 生成了相应的 Layout 图 最后制作了版图 本文还用到了 ADS 和 AutoCAD 在 功分器的具体电路结构建模 仿真优化和版图的生成上如何应用 在设计过程 中文中都作出了相应的说明 关键词关键词 功分器 ADS 仿真 Abstract With the leap development of the modern electronic and communication technology and the more and more frequent information exchange various kinds of electrical and electronic equipments have greatly affected business and home in all domains In the field of microwave communication along with the development of microwave technology as a key device the influence of the splitters performance to system can not be overlooked so the development technology needs continuously improved In this paper the basic theory and the performance indicators of the splitters are simply introduced and then the design idea and process of a specific 1 into 3 splitters are expatiated The circuit structure the simulation results and the Layout chart are also givn Finally the Territory is made ADS and AutoCAD are also used in the design How to use them in the specific circuit modeling simulation optimization and Territory formation are correspondingly described in the paper KeyKey wordswords splitters ADS simulation 目录目录 第一章 引 言 1 1 1 微波技术简介 1 1 1 1 微波的概念介绍 1 1 1 2 微波的主要特性 2 1 1 3 微波的一些应用 2 1 2 功分器的概述 3 1 2 1 功分器设计背景 3 1 2 2 国内外研究现状 4 第二章 微带传输线理论 6 2 1 微带传输线简介 6 2 2 微带线参数的计算方法 9 第三章 功分器的基本理论 10 3 1 功分器的分类情况 10 3 2 常用的功率分配器间的区别 10 3 3 功分器的基本原理 10 3 3 1 四分之一波长变换器 10 3 3 2 功分器的原理 12 第四章 功分器的设计 18 4 1 功分器性能参数介绍 18 4 1 1 输入驻波比 18 4 1 2 频率范围 18 4 1 3 承受功率 18 4 1 4 插入损耗 18 4 1 5 隔离度 19 4 1 6 S 参数 19 4 2ADS 软件的简介 20 4 3 完成指标 20 4 4 功分器的设计 20 4 4 1 建立工程 21 4 4 2 设计原理图 21 4 4 3 基本参数设置 22 4 4 4 功分器原理图仿真 24 4 4 5 功分器的电路参数的优化 26 4 4 6 功分器版图的生成 28 4 4 7 功分器版图的仿真 30 第五章 总 结 32 参考文献 34 基于 ADS 的微波器件设计与仿真 1 分 3 功分器的设计与仿真 电子信息工程学院 通信工程专业 2008 级通信 2 班 刘静 指导老师 彭金花 第一章第一章 引引 言言 1 1 微波技术简介微波技术简介 1 1 1 微波的微波的概念介绍概念介绍 近年来 在无线电通信等应用中 不断使用越来越短的电磁波 如长波 中波 短波 超短波 微波 亚毫米波直到光波 微波与无线电波 红外线 可见光一样都是电磁波 微波是指频率为 300MHz 300KMHz 的电磁波 即波长在 1 米到 1 毫米之间的电磁波 微波频率比 一般的无线电波频率高 通常也称为 超高频电磁波 在微波频段范围内 一方面 其波长比普通无线电波短得很多相应的频率 高得很多 另一方面 其波长又比可见光长得多 相应得频率也低得很多 因 而 微波波段具有自己的特点 应用领域和研究方法 它的产生 传输 辐射 传播也与别的波段不同 这就是将微波波段划出来进行专门研究的原因 同时 它也是更高频段研究的基础 在通信和雷达工程中 常使用拉丁字母来代表微波波段的名称 列于表 1 1 表 1 1 微波波段的代号及对应的频率范围 波段频率范围 GHz波段频率范围 GHz UHF0 3 1 12 K18 0 26 5 L1 12 1 7 Ka26 5 40 0 LS1 7 2 6 Q33 0 50 0 S2 6 3 95 U40 0 60 0 C3 95 5 85 M50 0 75 0 XC5 85 8 2 E60 0 90 0 X8 2 12 4 F90 0 140 0 G140 0 220 0 Ku12 4 18 0 R220 0 325 0 微波能通常由直流或 50MHz 交流电通过特殊的器件来获得 可以产生微波的 器件有许多种 但主要分为两大类 半导体器件和电真空器件 电真空器件是 利用电子在真空中运动来完成能量变换的器件 或称之为电子管 在电真空器 件中能产生大功率微波能量的有磁控管 多腔速调管 微波三 四极管 行波 管等 在目前微波加热领域特别是工业应用中使用的主要是磁控管及速调管 1 1 2 微波的主要特性微波的主要特性 纵观从低频无线电波 微波到可见光以至 X 射线 射线的整个电磁波谱 就可以发现 它们虽然都同属于电磁波 但不同波段的电磁波具有各自不同的 性质 从微波来说 主要特性有 1 微波源仍是单频 偏振 相干的 因而可采用外差方法来接受微波信号 2 微波的波长短 微波的传输特性相似于几何光学 具有 似光性 3 微波波长和一般物体的线性尺寸可比拟 因而 有可能采用成熟的几何 光学方法来设计各种微波仪器和设备 如采用发射面或透镜来设计微波天线等 4 微波既是频率很高的波段 也是频带极宽的波段 具有通信容量高 抗 干扰能力强的特性 因而可以用于多路通信 5 微波可以穿透电离层 因而卫星通信必须采用微波 6 水 含水或脂肪的材料对微波有吸收作用 正是利用这一点 微波在工 农业的许多方面得到应用 1 1 3 微波的一些应用微波的一些应用 根据微波的一些特性 我们可以得到它的一些简单的应用 1 广播与电视 由于电台的增多 无线电波段日益拥挤 电台之间的相互 干扰变得严重 解决的唯一办法是向高频发展 微波的频带比长波 中波 短 波与超短波的频带之和还要宽上 1 万倍左右 采用微波可传递多路广播与电视 信号 2 通信 中继通信一般采用厘米波 其他利用微波的散射通信和卫星通信 都在迅速发展 微波通信实际上是一种中继站在空中的微波中继通信 3 雷达与导航 为了适应各种不同的要求 现代雷达的种类很多 性能业 日益提高 除了军用以外 还发展了多种民用雷达 如气象雷达 导航雷达 汽车防撞雷达 防盗雷达等等 4 微波加热 微波加热是指一些有耗介质 特别是含水或含脂肪的材料 吸收微波能量 并把它转化为热能 其优点是加热均匀且内外同热 热效率高 不需传热过程 加热时间短 便于自动控制和连续生产 5 医学 热效应在医疗方面的应用 除微波理疗机做透热医疗外 还可以 利用微波进行局部加热杀死癌细胞 6 能源 可利用微波对电离层的穿透性 把卫星上所产生的电功率传递到 地面 1 2 功分器的概述功分器的概述 1 2 1 功分器设计背景功分器设计背景 功分器是将输入信号功率分成相等或不相等的几路输出的一种多端口网络 它广泛应用于雷达系统及天线的馈电系统中 功分器按照其功率分配比有相应 的设计公式可较为容易的实现 等分功分器按其分配支路的数量可分为 2n 1 奇 等分和 2n 偶 等分两类 后者的设计方法相对简单 只需要在最 基本的一分二功分器上再等分即可 对于奇等分功分器 通常惯用的设计方法 是先 2 n 1 等分 然后其中一路加负载 这种设计方法虽然简便 可是有着 结构受限 接负载端容易影响其它端口相幅的一致性 并且插入损耗较大 随着无线通信技术的快速发展 各种通讯系统的载波频率不断提高 小型 化低功耗的高频电子器件及电路设计使微带技术发挥了优势 在射频电路和测 量系统如混频器 功率放大器电路中的功率分配与耦合元件的性能将影响整个 系统的通讯质量 在通讯设备中 功分器有着非常广泛的应用 例如在相控阵雷达系统中 要将发射机功率分配到各个发射单元中去 实际中常需要将某一功率按一定比 例分配到各分支电路中 功分器种类繁多 常见的功分器有变压器式 微带式 或带状线式 波导式和铁氧体式 它们各有优缺点和使用场合 1 2 2 国内外研究现状国内外研究现状 功率分配器作为一种低耗的无源器件广泛应用于微波毫米波系统 其功能 是将输入功率分配到各个支路中 近年来 采用集成型的平面传输线设计的功 率分配器得到了快速的发展 在天线阵技术的馈电网络中 功率分配器可将功 率分配到各个阵列单元 功分网络中布线的设计质量直接影响整个天线的性能 在实际设计中应考虑体积的小型化 相位 驻波 各端口的匹配和加工精度等 问题 目前的文献大都是针对小型的 1 2 功分网络 功分器可以采用腔体和微带的方法 腔体插入损耗较小 功率容量较大 不过隔离度不好 但插入损耗和平衡度较好 而微带线设计方法就比较灵活 最简单的可以在输出端口加单向铁氧体 为了减小体积 提高性能 目前最通 用的还是 Wilkinson 功率分配器的设计思想 微带功率分配器有简单和混合型两类 在平面型微波集成电路中 直接分 成多路输出的只有简单的功率分配器才能实现 其加工工艺简单 但输出端不 匹配 各路输出之间隔离很小 工作频带较窄 混合型功率分配器 由于平面 电路上要对称地安置几个隔离电阻在结构上有困难 故一般只能做成两路功率 分配器 最多不超过三路 但它改善了输出端的匹配 又增大了各输出端口之 间的隔离 混合型多路功率分配器通常是用数个两路功率分配器级联而成 另 外可用作功率分配器的有微带线定向耦合器和环形电桥 但是它们一般并不称 为功率分配器 因为一个功率分配器应该只有信号的输入端口和输出端口 而 不必有隔离端口 在微带功分器中 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 其功率分配可以是 相等的或不相等的 威尔金森功分器一般只应用于 X 波段以下频率 当频率 升高就会出现许多问题 比如隔离电阻相对于工作频率有一个谐振频率点 不 能再被看作是纯电阻 它的尺寸可与工作波长相比拟 不能再看作集总元件 为了得到高频段的谐振频率 电阻尺寸必须很小 这就意味着功分器的两个分 支电路必须凑的很近才能与电阻相连 但这样又会引起输出两支路间的强耦合 破坏了我们所要的功分比 功分器现在有如下几种系列 1 400MHz 500MHz 频率段二 三功分器 应用于常规无线电通讯 铁路通 信以及 450MHz 无线本地环路系统 2 800MHz 2500MHz 频率段二 三 四微带系列功分器 应用于 GSM CDMA PHS WLAN 室内覆盖工程 3 800MHz 2500MHz 频率段二 三 四腔体系列功分器 应用于 GSM CDMA PHS WLAN 室内覆盖工程 4 1700MHz 2500MHz 频率段二 三 四腔体系列功分器 应用于 PHS WLAN 室内覆盖工程 5 800MHz 1200MHz 1600MHz 2000MHz 频率段小体积设备内使用的微带二 三功分器 第二章第二章 微带传输微带传输线理论线理论 2 1 微带传输线简介微带传输线简介 微带是一种可以在印刷电路板 PCB 上制造的用来传播微波信号的传输线 适合制作微波集成电路的平面结构传输线 如天线 耦合器 过滤器 电源分 隔等微波部件都可以用微带线实现 相比于传统的波导技术来说 微带线是迄 今为止最便宜 最轻便和最紧凑的传输线 与金属波导相比 其优点有体积小 重量轻 使用频带宽 可靠性高和制造成本低等 但损耗稍大 功率容量小 60 年代前期 由于微波低损耗介质材料和微波半导体器件的发展 形成了微波 集成电路 使微带线得到了广泛应用 相继出现了各种类型的微带线 1 微带线的历史 微带线是一种类似于带状线和共面波导的平面传输线 微带线是由 ITT 美 国国际电话电报公司 实验室研发的 ITT 实验室研发微带线的目的是为了与带 状线的发展进行抗衡 早期的微带线使用厚基板工艺 在微带线上就允许横电 磁波 TEM 波 进行传播 这样的话在微带线中传输的微波便非常复杂 难以 预料 20 世纪 60 年代开始薄基板工艺开始广泛使用 2 微带线概述 微带线是由介质基片以及其两边的导体带条和接地板所构成 而带条图形 是用印刷技术敷在介质基片上的 其结构如图 2 1 所示 图 2 1 微带线结构图 其中 t 为金属导体厚度 w 为金属导体宽度 h 为介质厚度 r 为介质衬底 的相对介电常数 微带线及微带线构成的各种电路 微波集成电路 是平面电路 与波导或同 轴线构成的电路 相对的称为立体电路 相比较 具有体积小 重量轻 成本低 频带宽等优点 但有 Q 值低 功率容量小等缺点 此外 微带线不像波导那样 是封闭的传输线 因此比较容易受到其他部件的辐射影响 3 基本设计参数 微带线设计的实质是在给定情况下 由 Zc来确定导电带的宽度 其设计时 主要参考以下参数 基板参数 基片材料对真空的相对介电常数 r 基板厚度 h 导电带宽 度以及导电带 底板金属的相关参数 微带线参数 特性阻抗Z0 有效介电常数 e和衰减常数等 电性能参数 特性阻抗 Z0 工作频率 f0 工作波长 0 波导波长 和 g 电长度 角度 4 微带线常用材料 导体带和接地板均由金属材料制成 对于金属材料有以下几点要求 高的导电率 低的电阻温度系数 对基片的附着性能好 好的刻蚀性和可焊接性 易于沉淀和电镀等 对于介质基片材料的选择 应从如下几个方面综合考虑 相对介电常数较高 且随频率的变化小 材料的损耗小 介质纯度高 具有较好的均匀性及性能一致性 热导性及热稳定性好 且与导体的粘附性能好 有一定的机械强度且易于机械加工 抗腐蚀性强 化学性能稳定等 因此 导体带和接地板均由导电良好的金属材料 如银 铜 金 构成 介 质基片常用的材料有 金红石 纯二氧化钛 氧化铝陶瓷 蓝宝石 聚四氟乙 烯和玻璃纤维强化聚四氟乙烯 5 微带线制作工艺 微带线或由微带线构成的微波元件 大都采用薄膜 如真空镀膜 和光刻等 工艺在介质基片上制作出来所需要的电路 此外 也可以在介质基板两面敷有 铜箔的板 在板的一面用光刻腐蚀法制作出所需的电路 而板的另一面的铜箔 板则作为接地板 6 微带线的计算公式 微带线的有效介电常数可以解释为一个均匀媒质的介电常数 2 1 111 22 1 12 rr hW e 这个均匀媒质取代了微带线的空气和电介质区域 对于给定的特性阻抗 Z0和介电常数 比值 W h 可以求得为 r 当时 2 2 2h W 2 8 2 A A We he 当时 2 3 2h W 120 61 1 ln 21 ln 1 0 39 2 r rr W BBB h 其中 0 0 110 11 0 23 6021 377 2 rr rr r Z A B Z 导波长计算公式 2 4 0 g e 微带线长度计算公式 2 5 2 g L 2 2 微带线参数的计算方法微带线参数的计算方法 由上述公式可以看出 计算公式极为复杂 每一个电路的设计都使使用一 次这些公式是不现实的 经过几十年的发展 使得这一过程变得相当简单 微 带线设计问题的实质就是求给定介质基板情况下阻抗与导带宽度的对应关系 目前使用的方法主要有 1 查表格 早期微波工作者针对不同介质基板 计算出了物理结构参数与电性能参数 之间的对应关系 建立了详细的数据表格 这种表格的用法步骤是 按相对 介电常数选表格 查阻抗值 宽度比 W h 有效介电常数三者之间的关系 e 只要已知一个值 其他两个就可查出 计算 通常 h 已知 则 W 可得 由 求出波长 进而求出波导波长 进而求出微带线长度 e 2 仿真软件 目前计算微带电路的仿真软件 如 ADS Ansoft MW Office 等 输入微带 的物理参数拓扑结构 就能方便得到微带线的电性能参数 并可调整或优化微 带线物理参数 第三章第三章 功分器的基本理论功分器的基本理论 3 1 功分器的分类情况功分器的分类情况 a 按路数分为 2 路 3 路和 4 路及通过级联形成的多路功率分配器 b 按结构分为 微带功率分配器及腔体功率分配器 c 根据电路形式可分为 微带线 带状线 同轴腔功率分配器 d 根据能量的分配分为 等分功率分配器及不等分功率分配器 3 2 常用的功率分配器间的区别常用的功率分配器间的区别 常用的功率分配器都是等功率分配 从电路形式上来分 主要有微带线 带状线 同轴腔功率分配器 几者间的区别如下 a 同轴腔功分器优点是承受功率大 插入损耗小 缺点是输出端驻波比大 而且输出端口间无任何隔离 微带线 带状线功分器优点是价格便宜 输出端 口间有很好的隔离 缺点是插入损耗大 承受功率小 b 微带线 带状线和同轴腔的实现形式也有所不同 同轴腔功分器是在要 求设计的带宽下先对输入端进行匹配 到输出端进行分路 而微带功分器先进 行分路 然后对输入端和输出端进行匹配 3 3 功分器的基本原理功分器的基本原理 3 3 1 四分之一波长变换器四分之一波长变换器 微带功分器的分支电路通常是用四分之一波长阻抗变换器 它是一种有用 而实际的阻抗匹配电路 阻抗匹配的基本思想如图 3 1 所示 它将匹配网络放在负载和传输线之间 理想的匹配网络是无耗的 而且通常设计成向匹配网络看去输入阻抗为 虽 0 Z 然在匹配网络和负载之间有很多次反射 但是在匹配网络左侧传输线上的反射 被消除了 这个过程也被认为是调谐 阻抗匹配或调谐的原因是很重要的 原 因如下所述 1 当负载与传输线匹配时 假设信号源是匹配的 可传送最大功率 并且在馈线上功率损耗最小 2 对阻抗匹配灵敏的接收机部件可改进系统的信噪比 3 在功率分配网络中 如天线阵馈电网络 阻抗匹配可以降低振幅和 相位不平衡 只要负载有非零实部 就能找到匹配网络 图 3 1 阻抗匹配网络 四分之一波长变换器对于匹配实数负载阻抗到传输线 是简单而有用的电 路 如下图所示 若主传输线的特性阻抗为 终端接纯电阻性负载 但 0 Z L Z 则可以在传输线与负载之间接入一特性阻抗为 长度的传 0 ZZL 01 Z4 l 输线段来实现匹配 图 3 2 波长变换器4 设此时面上的反射系数为 则 0 T 3 1 上式取模值为 3 2 在中心频率附近 上式可近似为 匹配网络匹配网络 负载负载 L Z ZZ Z Z L L 0 0 2 cos 1 1 2 0 0 2 1 2 Z Z ZZ L L sec ZZ ZZjZ Zl L LL 0 00 2tg 3 3 当 0 时 反射系数的模达到最大值 由式 3 3 可以画出 随 变 化的曲线 如图 3 3 所示 随 或频率 作周期变化 周期为 如果设 为反射系数模的最大容许值 则由阻抗变换器提供的工作带宽对应于图 4 中限定的频率范围 由于当 偏离时曲线急速下降 所以工作带宽是 很窄的 图 3 3 波长变换器在设计频率附近的的近似形态4 当 时 3 4 通常用分数带宽表示频带宽度 与有如下关系 q W q W m 3 5 当已知 和 且给定频带内容许的 时 则由式 3 5 可计 L Z 0 Z m 算出相对带宽值 反之 若给定值 也可求出变换器的 计算中 q W q W m 取小于的值 m 2 对于单一频率或窄频带的阻抗匹配来说 一般单节变换器提供的带宽能 够满足要求 但如果要求在宽频带内实现阻抗匹配 那就必须采用多节阶梯 阻抗变换器或渐变线阻抗变换器 3 3 2 功分器的原理功分器的原理 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 端口网络 W ff f q mm m 21 0 21 0 2 2 4 m m L m L Z Z ZZ arccos 2 1 0 2 0 m 任意多分路单节的功分器的电路拓扑结构如图 3 4 所示 图 3 4 功分器的电路示意图 其中 a 为多路普通功分器的示意图 信号源与负载内阻均为 若为 N 等分 则 各段长度均为 这 0 ZRR LS n ZZZ 21 4 种功分器不能做到信道之间有隔离 也不能做到各端口的完全匹配 图 b 为混合型 N 路功分器 不同之处在于各路输出端口均有一隔离电阻 R 与公共结点相连 可以使输入功率分成大小不相等的 N 路输出 且各输出端 口同相位 若在输出端口反射 则波将在支线交叉口再分配 由于各段长度为 则往返的电长度为 彼此相消 从而实现各输出端口之间的相互隔离 4 一分三功分器是一个四端口网络 其 S 参数为 44434241343332312423222114131211 ssssssssssssssssS 由于普通的无耗互易三端口网络不可能完全匹配 且输出端口间无隔离 工程 上对信道之间的隔离要求又很高 因此常用混合型的功率分配器 该结构也称 为威尔金森型功率分配器 它是有耗的三端口网络 是在毫米波微波大功率系 统中应用最广泛的一种形式 其功率分配可以是相等的或不相等的 其不等功 率分配器的一个原理性示意图为图 3 5 4 图 3 5 配有隔离电阻的微带功分器结构图 这种功率分配器一般都有消除 端之间耦合作用的隔离电阻 R 设主 臂 功率输入端 的特性阻抗为 支臂 和 的特性阻抗分别为 0 Z 和 它们的终端负载分别为和 电压的复振幅分别为和 功 02 Z 03 Z 2 R 3 R 2 U 3 U 率分别为和 假设微带线本身是无耗的 两个支臂对应点对地 零电位 而 2 P 3 P 言的电压是相等的 那么 就可以得到下列的关系式 3 6 3 7 3 8 又因 所以有 32 UU 3 9 3 10 式中的 k 是比例系数 k 可以取 1 等功率情况 或大于 1 和小于 1 不等功率 情况 设和是从接头处分别向支臂 和 看去的输入阻抗 两 2i Z 3i Z 者的关系是 3 11 从主臂 向两支臂看去应该是匹配的 因此应有 3 12 或 3 13 2 2 2 2 2R U P 3 2 3 3 2R U P 2 2 3 PkP 3 2 2 2 3 R R k P P 3 2 2 RkR 3 2 2ii ZkZ 3 2 2 32 32 0 1 i ii ii Z k k ZZ ZZ Z 0 2 2 3 1 Z k k Zi 由此得 3 14 因为和 k 是给定的 这样和即可求出 前面己经讲过 0 Z 2i Z 3i Z 可见 只需选定和中的一个值 则另一个即可确定 为计算 3 2 2 RkR 2 R 3 R 方便 通常可选取 3 15 根据式 3 14 3 15 和式 3 16 即可求出两个支臂的特性阻抗和 02 Z 分别为 03 Z 3 16 3 17 现在确定隔离电阻 R 的作用及其值大小 倘若没有电阻 R 那么 当信号 由 支臂的端口 输入时 一部分功率将进入主臂 另一部分功率将经过 支臂而到达端口 反之 当信号由 支臂的端口 输入时 除一部 分功率将进入主臂 外 还有一部分功率将到达端口 即 两端口之间 相互影响 为了消除这种现象 加了隔离电阻 R 当信号由主臂 输入时 由 于 R 两端电位相等 无电流通过 不影响功率分配 相当于 R 不存在一样 若 信号由端口 输入 一部分能量经 R 到端口 另一部分 除经 支臂输 入主臂 外 还有一部分经 支臂到达端口 但这一部分与经 R 到达端口 的信号 由于路程差而使它们的相位差 从而使它们互相抵消 端口输 出的能量极少 同理 当信号从端口 输入时 端口 的输出能量也极少 若 R 的值和位置选择合适 就能得到较好的隔离效果 为了求出隔离电阻 R 的表示式 可以利用图 3 5 的示意图 图中和公式中 的电压和电流是指其复振幅 设在端口 上接入电压为 U 的信号源 这样就会 在整个电路中引起电压和电流 设在 端口处的电压分别为 和 1 U 2 U 电流分别为 因为 和 支臂的长 3 U 303202 3 21 IIIIIIII R 和 度 L 均为 所以 根据传输线理论可知 4 对于 支臂有 3 18 3 19 对于 支臂有 0 2 2 1ZkZi k Z R 0 3 02 kZR 2 02202 1kkZRZZ i 3 2 03303 1 k k ZRZZ i 02 202 212 sincosZjIlZjIlUU 02 1 02 1 22 sincos Z U jl Z U jlII 3 20 3 21 另外 根据电路理论可知 在主臂和两个支臂的交接点处有 3 22 在隔离电阻 R 与端口 的交接点处有 3 23 式中 3 24 将式 3 22 代入式 3 23 得 3 25 再将式 3 21 和式 3 25 代入式 3 24 得 3 26 或 3 27 当 端口隔离 即端口 无能量输出 实际上即 时 则由式 3 0 3 U 26 和式 3 27 可得 3 28 再根据式 3 27 3 28 和式 3 29 得 3 29 03303331 sincosZjIlZjIlUU 03 3 03 3 3 3 sincos Z U jl Z U jlII 3 0 1 31 2 I Z U III RR I R U III 3 3 303 R UU IR 32 0 03 3 02 2 0 1 Z U j Z U j Z U 0 3 232 03 1 R U R UU Z U j 0 3 3 32 03 1 U R RR R U Z U j R Z j Z Z j U U 03 02 0 2 1 k k Z Z ZZ R 2 0 0 0302 1 在实际的微带电路中 隔离电阻是由蒸发在介质基片上的镍铬合金薄膜或 钽薄膜构成的 在波长较长的情况下 也可用一般的小型电阻焊接在导体带上 一般地讲 若两个支臂的间距不太大 外接的隔离电阻引线短 则效果较好 否则隔离性能较差 在以上的分析中 曾假定 端口的负载分别为和 但在实际的应 2 R 3 R 用中 端口后面要接的一般都是特性阻抗等于的传输线 而为了保证 0 Z 所要求的功率分配比 则应在端口 与传输线之间 端口 与传输线之间分别 加入一段长的阻抗变换器 图 3 6 是这种情况的示意图 4 设在端口 后变换段的特性阻抗为 在端口 后变换段的持性阻抗为 04 Z 它们的表示式分别为 05 Z 3 30 3 31 对于等功率分配器 则 于是有 3 32 3 33 3 34 以上是对中心波长而言所得出的结果 当波长偏离中心波长时 性能会差 些 即频带较窄 若要求频带宽些 则可采用多节的功率分配器 利用微波网络 理论可以证明 任何无耗的三端口网络不可能同时实现各端口的匹配和隔离 但 是对于加了隔离电阻的三端口功率分配器 即成了有耗网络 因此各端口可以 同时得到匹配和隔离 k Z ZRZ 0 0305 kZZRZ 00204 32 PP 1 k 032 ZRR 00302 2ZZZ 0 2Zr 微带一分三功分器的工作原理与上述分析类似 不同之处仅在于输出路数 第四章第四章 功分器的设计功分器的设计 4 1 功分器性能参数介绍功分器性能参数介绍 4 1 1 输入驻波比输入驻波比 驻波 终端不匹配的传输线上各点的电压和电流由入射波和反射波叠加而 形成驻波 传输线上波腹处电压振幅和波节点电压振幅之比为电压驻波比 用 表示 输入驻波比越小越好 4 1 11 11 1 1 S S 4 1 2 频率范围频率范围 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 必须首先明确分配器的工作频率 才能进行设计 4 1 3 承受功率承受功率 在大功率分配器 合成器中 电路元件所能承受的最大功率是核心指标之一 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 4 1 4 插入损耗插入损耗 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 因素所带来的损耗 其计算公式为所有的路数的输出功率之和与输入功率的比 值 而分配损耗为其中一路输出功率与输入功率的比 理想等分功分器的分配损耗为 dB 10lg 1 N 4 2 N 为功分器路数 N 2 3 0dB N 3 4 8dB N 4 6 0dB N 8 9 0dB N 16 12 0dB 4 1 5 隔离度隔离度 支路端口间的隔离度是功率分配器的另一个重要指标 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 这就要求支路之间有 足够的隔离度 在主路和其他支路都接匹配负载的情况下 各分配支路之间的 衰减量 输入端的输入功率与隔离端的输出功率之比 记为 C 4 1 6 S 参数参数 S 参数是与电压驻波比 VSWR 直接相关的反射系数 传输系数通常用来 表示增益或衰减 S 参数从功率的角度表达电路的输入和输出 因此可以用来 度量沿 50传输线电路元件的传输功率和反射功率 S 参数通过将电路端接系 统的实际线阻来测量 它是一个具有幅度和相位信息的矢量 为反射 s11s22 功率和入射功率之比 两者同反射系数 一样 在 Smith 圆图中得到广泛应 用 因此 任意两端口器件的输入 输出参数及其对的特征阻抗可以从极坐标 图中提取 常见的 S 参数以 dB 表达 见下表 4 1 表 4 1 S 参数及意义 S 参数描 述 outj ini P P LgC10 4 2ADS 软件的简介软件的简介 ADS2009 全称 Advanced Design System 2009 是 Agilent 公司 2009 年推 出的新版本的 EDA 软件 ADS 经过多年的发展 仿真功能和仿真手法日趋完善 个 最大的特点就是集成了从 IC 级到电路级直至系统级的仿真模块 它内含基 于矩量法 Momentum 的电磁仿真模块 ADS Momentum 是一种对 3D 进行简化的 2 5D 电磁场仿真器 非常适合第 3 维度上均匀变化的机构仿真 如 PCB 板级设 计 无源板级器件设计 RFIC MMIC 和 LTCC 等 其仿真速度极快 同时保证和 主流 3D 电磁仿真软件相当的精度 此外 Agilent 公司还和各大元器件厂商广泛合作并提供最新的 Design Kit 给用户使用 使用户可以在第一时间得到最新的设计资源 同时 Agilent 公司利用自身的优势 在软件与测试仪器的结合上有着其他软件无法比拟的优 势 极大地提高了设计的效率 Agilent 公司在 2009 软件版本中增加了基于有 限元算法 FEM Finite Element Method 的 3D 电磁场仿真器 EMDS 大大提高 了软件的 3D 仿真能力 ADS2009 能与许多著名的 EDA 软件进行协同仿真 如 CST Mentor Graphics Cadence Matlab 等 并且 ADS layout 能够与主流的 CAD 软件相互导入和导出版图 4 3 完成指标完成指标 工作中心频率 1 0GHz 传输损耗 20dB s11 输入反射系数 回波损耗 s21 正向传输系数 插入损耗 s22 输出反射系数 s12 反向传输系数 4 4 功分器的设计功分器的设计 在进行设计时 主要是以功分器的 S 参数作为优化目标进行优化仿真 S21 S31 S41 是传输参数 反映传输损耗 S11 S22 S33 S44 分别是输 入输出端口的反射系数 由它可以换算出输入 输出端的电压驻波比 如果反 射系数过大 就会导致反射损耗增大 使系统性能下降 S23 等反映了三个输 出端口之间的隔离度 4 4 1 建立工程建立工程 1 运行 ADS2009 打开 ADS2009 主窗口 2 执行菜单命令 File New Project 弹出 New Project 对 话框 建立工程 WDCoupler 默认的长度单位为 millimeter 如图 4 1 所示 3 单击 OK 按钮 弹出原理图设计窗口和原理图设计向导 在原理 图设计向导中选择 No help needed 再单击 Finish 按钮打开 原理图设计窗口 图 4 1 建立工程 4 4 2 设计原理图设计原理图 1 在原理图的元件面板列表上 选择微带线 TLines Microstrip 元 件库 打开元件面板 2 原理图设计窗口左边的微带线器件面板中有各种微带电路元件 3 设计输入端口电路 4 设计阻抗变换电路 5 设计输出端口电路 6 把输入端口电路 阻抗变换电路和输出端口电路用导线连接在一起 就构成了一个完整的功分器 在 ADS 中功分器的电路原理图如图 4 2 所示 图 4 2 功分器的电路原理图 4 4 3 基本参数设置基本参数设置 1 在微带面板中选择微带线参数设置控件 MUSB 微带基板 插入原理 图中 2 双击原理图中的 MUSB 控件 然后再弹出的对话框中设置参数 如 图 4 3 所示 H 0 8mm 表示微带线基板的厚度为 0 8mm Er 4 3 表示微带线基板的相对介电常数为 4 3 Mur 1 表示微带线的相对磁导率为 1 Cond 5 88E 7 表示微带线导体的电导率为 5 88E 7 Hu 1 0e 033 表示微带线的封装高度为 1 0E 033 T 0 03mm 表示微带线的导体厚度为 0 03mm TanD 1e 4 表示微带线的损耗角正切为 1e 4 Roungh 0mm 表示微带线表面粗糙度为 0mm 图 4 3MUSB 设置参数 同理 当 Z0 50 时 对应的 W1 1 52mm 当 Z0 51 5 时 对应的 W3 1 47mm 当 Z0 59 46 时 对应的 W4 1 12mm 当 Z0 42 时 对应的 W5 2 01mm 3 计算出功分器各段微带线的理论尺寸后 为便于参数优化的需要 在 原理图中插如 VAR 控件 4 双击 VAR 控件 弹出参数对话框 在对话框中对变量参数 w 和 l 进 行设置 对变量 w1 设置如下 在 Name 栏填入 w1 在 Variable Value 栏填入 1 52mm 单击 Tune Opt Stat DOE Setup 按钮 打开 Setup 设置窗口 在 Setup 窗口中 选择优化 Optimization 按钮 然后在 Optimization 栏选择 Enable 在 Type 栏里选择 Continuous 在 Format 栏选择 min max 在 Minimum Value 栏填入 1 00mm 在 Maximum Value 栏填入 2 00mm 单 击 OK 按钮结束设置 4 用同样的方法设置 w2 w3 w4 w5 w6 w7 和 l 5 完成 VAR 参数的设置后 一次双击原理图中功分器的各段微带线 并设置微带线的宽度 w 与长度 l 单位为 mm 具体的变量设置如图 4 4 所示 图 4 4 设置变量后的功分器原理图 4 4 4 功分器原理图仿真功分器原理图仿真 完成原理图的设置后 就可以对功率分配器的原理图进行仿真 根据设计 指标要求 主要对它的电路 S 参数进行仿真和分析 原理图的仿真步骤如下 1 在原理图设计窗口中选择 S 参数仿真软件面板 Simulation S param 选择 S 参数扫描控件插入原理图中 双击原理图中 的控件 SP 对其参数进行设置 频率扫描类型选择为 Linear 频率扫描的起始值为 0 9GHz 频率终止值为 1 1GHz 频率的扫描 步长为 10MHz 2 选择元件 Term 放置在功分器 4 个端口上 定义端口 1 2 3 和 4 然后单击工具栏的图标 放置 4 个 接地 与 Term 相 连 3 完成所有的连接和仿真参数设置后 就可以对电路进行 S 参数进行 仿真 单击工具栏中的 Slmulate 按钮进行电路仿真 4 仿真完成后 系统弹出数据显示窗口 再单击图标 弹出数据 图的轨迹与属性窗口 选择要显示的函数 S 1 1 单击 Add 按钮 在弹出的 Complex Data 对话框选择 dB 为单位 单击 OK 按钮 返回前 Plot Traces Attributes 对话框 单击 OK 按钮 同样设置 S 2 1 S 3 1 S 4 1 S 2 3 S 2 4 和 S 3 4 如图 4 5 所示 图 4 5 S 参数曲线 结论 从图中结果可以看出 采取理论计算的结果作为功分器的参数时 各项指标都不理想 功分器在所需求的频带内隔离度没有达到指标 并且平坦 度较差 当频率偏移中心频率 1 0GHz 时 S11参数出现了严重的恶化 所以还 需要对功分器的各个参数进行优化 4 4 5 功分器的电路参数的优化功分器的电路参数的优化 使用理论计算的结果作为功率分配器参数时 它的性能并没有达到设计的 指标 因此需要对功率分配器的各个参数进行优化 1 在原理图的元件面板列表上 选择优化控件 Optim Stat Yield DOS 元件面板上出现与 Optim Stat Yield DOS 对应的元件图标 在元件面板上 选择优化控件 Optim 插入原理图的画图区 在元件面板上选择目标控件 Goal 插入到原理图的画图区 共插入 7 个目标控件 2 双击画图区的优化控件 Optim 设置优化控件 选择随机 Random 优化方式 优化次数选择 500 次 其余的选项保持默认状态 3 设置 7 个目标控件 Goal 这 7 个目标控件分别用来控制 S 1 1 S 2 1 S 3 1 和 S 4 1 S 2 3 S 3 4 S 2 4 其中 S 1 1 表示端口 1 的匹配状况 S 2 1 表示功分器正向传输系数 S 2 3 表示两个输出端口之间的隔离度 当优化结束后 数据显示窗口会自动打开 最终的优化结果如图 4 6 所示 可见 各项指标都满足了设计要求 并且指标在通带内相对平坦 在一次优化完成后 需要执行菜单命令 Simulate Update Optimization Values 以保存优化后的变量值 如果一次优化不能满足设计指标的需要 则需要改变变量的取值范围 新 进行优化 直到满足设计要求为止 单击工具栏中的 Simulate 按钮就可以进行仿真 仿真结果会出现数据 显示窗口 依次放置 S 1 1 S 2 2 S 2 1 和 S 2 3 由于最终原理图的 电路参数也优化结果相同 因此最终仿真结果同样如图 4 6 所示 图 4 6 优化后的仿真曲线 4 4 6 功分器版图的生成功分器版图的生成 在进行功分器版图的仿真前需要生成功分器的版图 1 在生成版图前 必须先将原理图中的优化控件和目标去掉 去掉的方 法是单击原理图工具栏中的 Deactive or Active Component 按钮 然后单 击优化控件和 7 个目标控件 若优化控件和 7 个目标控件打了红叉 表示已经 被关掉 在原理图上 去掉 4 个端口的 Term 和 接地 不让它们出现在生成 的版图中 去掉的方法与去掉优化控件和目标控件的方法相同 2 确定所有元件失效后 执行菜单命令 Layout Generate Update Layout 弹出设置窗口 单击窗口上的 OK 按钮 完 成版图的生成 版图生成后 程序会自动打开版图设计窗口 里面显示了刚刚生成的功分 器版图 如图 4 7 所示 从图上可以看出 原理图中的各种传输线模型已经转 化为版图是实际微带线 3 选择版图工具栏上的端口 Port 插入版图 输入端口设置为端口 1 输出端口设置为端口 2 端口 3 和端口 4 4 微带线介质和金属片的基本参数对微带型威尔金森功分器的性能影 响很大 在此必须设置版图中的微带线的基本参数 为了利用原理图的仿真结 果 将版图中的微带线参数设置为原理图中的 MUSB 控件里的参数 5 在版图设计窗口中 执行菜单命令 Momentun Substrate Creat Modify 可以查看和修改微带线的基本参数 设置完微带线的基本参数后 一个完整的功分器版图就形成了 接下来就 可以进行 S 参数仿真了 其中图 4 8 为从 ADS 导入 AutoCAD 的到的版图 图 4 7 ADS 中生成的版图 图 4 8 从 ADS 导入 AutoCAD 的到的版图 4 4 7 功分器版图的仿真功分器版图的仿真 1 生成功分器的版图后 为观察功分器的性能 并能更好的接近实际 需要在版图里再次进行 S 参数的仿真 2 执行菜单命令 Momenttum Simulation S parameters 打开仿真控制对话框 在 Sweep Type 下拉列表中选 Adaptive 设置的 起止频率与原理图中相同 Start 为 0 9GHz Stop 为 1 1GHz 索取的样 点为 41 个 仿真控制参数设置完成后 单击 Update 按钮 3 单击 Simulation Control 窗口中的 Simulation 按钮 开始仿 真 整个仿真过程比较慢 需要数分钟 仿真结束后将会自动出现数据显示窗 口 值得注意的是 如果版图仿真得到的曲线不满足指标要求 那么重新回到原 理图窗口进行优化仿真 可以改变优化变量的初值 也可以根据曲线与指标的 差别情况适当调整优化目标的参数 重新进行优化 如果仍不能满足要求 则 需要进一步增加变量个数 从而改变更多的原