第5章功率分配器合成器

第5章

功率分配器/合成器

5.1功率分配器的基本原理

将一路微波功率按一定比例分成n路输出的功率元件称为功率分配器。按输出功率比例不同,可分为等功率分配器和不等功率分配器。在结构上,大功率往往采用同轴线而中小功率常采用微带线。下面介绍两路微带功率分配器以及微带环形电桥的工作原理。 5.1.1功率分配器的技术指标 功率分配器的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、支路端口间的隔离度、每个端口的电压驻波比等。

(1)频率范围

(2)承受功率

(3)分配损耗定义

两等分功率分配器的分配损耗是3dB,

四等分功率分配器的分配损耗是6dB。

(4)插入损耗。定义

Ai=A-Ad

其中,A是实际测量值。(5)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口的隔离度定义为(6)驻波比

5.2分布参数功率分配器 5.3.1微带线功率分配器 功率分配器/合成器有两路和多路或三路情况,下面分别介绍。 1.两路功率分配器 图5-8是两路微带线威尔金森功率分配器示意图。这是一个功率等分器,P2=P3=P1-3dB,Z0是特性阻抗,λg是信号的波导波长,R是隔离电阻。当信号从端口1输入时,功率从端口2和端口3等功率输出。如果有必要,输出功率可按一定比例分配,并保持电压同相,电阻R上无电流,不吸收功率。图5-8威尔金森功率分配器

若端口2或端口3有失配,则反射功率通过分支叉口和电阻两路到达另一支路的电压等幅反相而抵消,在此点没有输出,从而可保证两输出端有良好的隔离。 考虑一般情况(比例分配输入功率),设端口3和端口2的输出功率比为k2,即（5-6）

由于端口1到端口2与端口1到端口3的线长度相等,故端口2的电压U2与端口3的电压U3相等,即U2=U3。端口2和端口3的输出功率与电压的关系为 将上式代入式（5-6）,得

（5-7）

（5-8）

即 Z2=k2Z3（5-9） 式中,Z2.Z3为端口2和端口3的输入阻抗,若选 则可以满足式（5-9）。为了保证端口1匹配,应有

（5-10）（5-11）

同时考虑到

则 所以

（5-12）

为了实现端口2和端口3隔离,即端口2或端口3的反射波不会进入端口3或端口2,可选

在等功率分配的情况下,即P2=P3,k=1,于是（5-13）

微带线功率分配器的实际结构可以是圆环形或长方形,便于加工和隔离电阻的安装,如图5-9所示。

图5-9（a)长方形微带线功率分配器图5-9（b)圆环形微带线功率分配器 设计实例: 设工作频率为f0=1000MHz,特性阻抗为Z0=50Ω,功率比例为k=1,且要求在1000±100MHz的范围内带内各端口反射系数小于-20dB（即S11≤-20dB,S22≤-20dBS33≤-20dB）,传输损耗小于3.1dB（即S21≥-3.1dB,S31≥-3.1dB）,两输出端隔离度小于-25dB（即S23≤-25dB）。由式（5-13）可知Z02=Z03=Z0=70.7Ω,R=2Z0=100Ω。介质基片选用厚度H=0.8mm,对介电常数Er=4.3,金属层厚度T=0.03mm,损耗角正切TanD=0.00001。采用ADS微波设计软件进行仿真,功率分配器电路图及仿真结果如下。ADS软件的使用启动ADS进入如下界面创建新的工程文件点击File->NewProject设置工程文件名称（本例中为divider）及存储路径点击LengthUnit设置长度单位为毫米创建新的工程文件（续）工程文件创建完毕后主窗口变为下图创建新的工程文件（续）同时原理图设计窗口打开功分器的设计下图是一个等功率分配器,它由两段不同特性阻抗的微带线组成,两臂是对称的。我们以这种结构的功分器为例,介绍一下设计的过程。123功分器的设计（续）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是传输参数，反映传输损耗；S11、S22.S33分别是输入输出端口的反射系数。S23反映了两个输出端口之间的隔离度。生成功分器的原理图在原理图设计窗口中选择微带电路的工具 栏窗口左侧的工具栏变为右图所示选择微带线以及控件MSUB分别放置在绘图区中选择画线工具将电路连接好, 连接方式见下页图（本图只是提供参考,还有其它形式可供选择。）功分器的原理图示例

设置微带电路的基本参数双击图上的控件MSUB设置微带线参数H:基板厚度(0.8mm)Er:基板相对介电常数(4.3)Mur:磁导率(1)Cond:金属电导率(5.88E+7)Hu:封装高度(1.0e+33mm)T:金属层厚度(0.03mm)TanD:损耗角正切(1e-4)Roungh:表面粗糙度(0mm)微带线计算工具功分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可由微带线计算工具得到。填入50Ohm可以算出微带线的线宽1.52mm。填入70.7Ohm和90deg可以算出微带线的线宽0.79mm和长度42.9mm(四分之一波长)。设置微带器件的参数双击每个微带线设置参数,W、L分别设为相应的变量或常量,单位mm,注意上下两臂的对称性。添加变量单击工具栏上的VAR图标,把变量控件VAR放置在原理图上,双击该图标弹出变量设置窗口,依次添加W,L参数。中间微带线的长度大约为四分之一波长(根据中心频率用微带线计算工具算出),各个线宽的初始值可以用微带线计算工具算出,微带线的宽度最窄只能取0.2mm(最好取0.5mm以上)。S参数仿真电路设置在原理图设计窗口中选择S参数仿真的工具栏选择Term放置在功分器三个端口上，用来定义端口1.2和3，点击图标，放置三个地，并按照下页图连接好电路。选择S参数扫描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。S参数仿真电路设置（续）

优化目标的设置在原理图设计窗口中选择优化工具栏选择优化设置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。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优化目标的设置（续）这里总共设置了四个优化目标,由于电路的对称性,S31和S33不用设置优化。S11和S22分别用来设定输入输出端口的反射系数,S21用来设定功分器通带内的衰减情况,S23用来设定两个输出端口的隔离度。优化目标的设置（续）

进行参数优化设置完优化目标后最好先把原理图存储一下,然后就可以进行参数优化了。点击工具栏中的Simulate按钮就开始进行优化仿真了。在优化过程中会打开一个状态窗口显示优化的结果(见下页图),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图形显示窗口。在一次优化完成后,要点击原理图窗口菜单中的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。观察仿真曲线优化完成后必须关掉优化控件,才能观察仿真的曲线。方法是点击原理图工具栏中的按钮,然后点击优化控件OPTIM,则控件上打了红叉表示已经被关掉。要想使控件重新开启,只需点击工具栏中的按钮,然后点击要开启的控件,则控件上的红叉消失,功能也重新恢复了。对于原理图上其他的部件,如果想使其关 闭或开启,也可以采取同样的方法。点击工具栏中的Simulate按钮进行仿真,仿真结束后会出现图形显示窗口。观察仿真曲线（续）点击图形显示窗口左侧工具栏中的按钮,放置一个方框到图形窗口中,这时会弹出一个设置窗口(见下页图),在窗口左侧的列表里选择S(1,1)即S11参数,点击Add按钮会弹出一个窗口设置单位(这里选择dB),点击两次OK后,图形窗口中显示出S11随频率变化的曲线。用同样的方法依次加入S22,S21,S23的曲线。为了准确读出曲线上的值,可以添加Marker,方法是点击菜单中的Marker->New,出现InstertMarker的窗口,接着点击要添加Marker的曲线,曲线上出现一个倒三角标志,点击拖动此标志,可以看到曲线上各点的数值。观察仿真曲线（续）观察仿真曲线（续）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,就可以进行版图的仿真了。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,在此作为对原理图设计的验证。版图的仿真首先要由原理图生成版图,生成版图前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,都是使用按钮,把这些元件打上红叉(见下页图)。然后点击菜单中的Layout->Generate/UpdateLayout,弹出一个设置窗口,直接点OK,又出现一个窗口,再点OK,完成版图的生成,这时会打开一个显示版图的窗口,里面有刚生成的版图。用于生成版图的原理图版图仿真的窗口

版图的仿真版图生成后先要设置微带电路的基本参数(即原理图中MSUB里的参数),方法是点击版图窗口菜单中的Momentum->Substrate->UpdateFromSchematic从原理图中获得这些参数,点击Momentum->Substrate->Create/Modify可 以修改这些参数。版图的仿真（续）为了进行S参数仿真还要在功分器两侧添加两个端口,做法是点击工具栏上的Port按钮,弹出port设置窗口,点击OK关闭该窗口,在滤波器两边要加端口的地方分别点击加上两个port。电阻要替换成薄膜电阻,在中选取,否则无法用矩量法进行仿真,注意薄膜电阻的宽度要和连接的微带线一致,不要忘记在substrate中的metallizationlayers中加入薄膜电阻所在的层。版图的仿真（续）点击Momentum->Simulation->S-parameter弹出仿真设置窗口,该窗口右侧的SweepType选择Adaptive,起止频率设为与原理图中相同,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Simulate按钮开始进行仿真。仿真过程中会出现一个状态窗口显示仿真进程(见下页图)。仿真运算要进行数分钟,仿真结束后将出现曲线显示窗口,观察S参数曲线,性能有不同程度的恶化。观察仿真曲线版图的仿真如果版图仿真得到的曲线不满足指标要求,那么要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。在返回原理图重新优化时,要先使刚才打红上叉的部件恢复有效,然后才能进行优化,之后重复前面所述的过程,直到版图仿真的结果达到要求为止。（五）电路版图的绘制仿真完成后要根据结果用Protel软件绘制电路版图，绘制版图时要注意以下几点:所用电路板是普通的双层板，上层用来绘制电路，下层整个作为接地。在绘制版图时受加工工艺的限制，尺寸精度到0.01mm即可，线宽和线间缝隙要大于0.2mm。考虑到加工电路板时的侧向腐蚀问题，微带线的宽度和长度要适当增加。版图的大小要符合规定尺寸，功分器的两个输出端口的间距要符合规定值，以便于安装在测试架上。（六）功分器电路的调试对照设计的版图检查、测量加工好的电路板上各段微带线的实际尺寸,并作记录。将电阻焊到电路板上,并把电路板安装到测试架上。按下面的测试框图用网络分析仪对功分器的各项指标进行测试（网络分析仪的使用参照仪器说明书）。功分器有三个端口,当任意两个端口接网络分析仪时,第三个端口要接匹配负载。功分器电路的调试（续）需要测试的参数主要有以下几个S11，S22，S33:输入、输出端口的反射系数S21，S31:正向传输系数，要测幅度及相位S23，S32:两输出端口的间隔离度根据S21，S31的幅度和相位可以得到两个输出端口的功分比以及相位平衡度。功分器电路的调试（续）观察网络分析仪测量的结果是否达到指标要求并与前面仿真的结果做比较。把实际测量的电路尺寸置于ADS软件中进行仿真,把结果与实际测量结果相比较。如果测试结果与设计要求相差过多,则需对电路进行调整,直至重新进行设计、制版。思考题当这种形式的功分器作为功率合成器使用时，如何测试各项指标？如果技术指标难以达到，如何修改电路拓扑结构？另外还有哪些电路拓扑形式可以采用？宽带功率分配器1宽带等功分两路功率分配器单节功率分配器其电压驻波比在1.2以内时,一般带宽为10％～20％。如果要求更宽的工作带宽,就要采用多节变换的功率分配器,其电路图如图3－5(a)所示。多节变换功率分配器的参数计算比较繁琐。为了读者设计方便,《微波集成电路设计》的第314页表5.6-1给出了两路2节、3节、4节和7节等功率分配器各界归一化阻抗值（）和隔离电阻值（）。当节数无限增多时,