Wilkinson功分器設(shè)計(jì)與仿真.ppt

課題任務(wù)和技術(shù)指標(biāo),課題任務(wù)： 通過對(duì)功分器的學(xué)習(xí)，利用ADS仿真軟件，設(shè)計(jì)一個(gè)威爾金森功分器，并仿真得到其各端口的S參數(shù)。 等分威爾金森功分器設(shè)計(jì)主要技術(shù)指標(biāo)： 工作頻率：2.5GHz 頻帶內(nèi)輸入端口的回波損耗：C1120dB 頻帶內(nèi)的插入損耗：C2125dB,課題研究難點(diǎn)、重點(diǎn)及其關(guān)鍵是什么？,功分器設(shè)計(jì)的難點(diǎn)功分器微帶電路的設(shè)計(jì)以及隔離電阻的選擇。 功分器設(shè)計(jì)的重點(diǎn)功分器原理圖的仿真及優(yōu)化 功分器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是電路參數(shù)的優(yōu)化，以及版圖的仿真。,目錄：,選題背景 功分器的工作原理和技術(shù)指標(biāo) 功分器原理圖的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 功分器的版圖生成與仿真,一選題背景：,什么是功分器 功率分配器是將輸入信號(hào)功率分成相等或不相等的幾路輸出的一種多端口的微波網(wǎng)絡(luò)，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、多路中繼通信機(jī)等大功率器件等微波射頻電路中。功率分配器又可以逆向使用作為功率合成器，因此有時(shí)又稱為功率分配/合成器。 2. 功分器的重要性 隨著無(wú)線通信技術(shù)的快速發(fā)展，各種通訊系統(tǒng)的載波頻率不斷提高，小型化低功耗的高頻電子器件及電路設(shè)計(jì)使微帶技術(shù)發(fā)揮了優(yōu)勢(shì)。單波傳輸使得系統(tǒng)的增益達(dá)不到實(shí)際的要求，從而必須實(shí)現(xiàn)多波傳輸，也就是將功率進(jìn)行分配，即產(chǎn)生了功率分 配器，簡(jiǎn)稱功分器。本文設(shè)計(jì)仿真的是最簡(jiǎn)單最經(jīng)典的威爾金森功分器，在射頻電路和測(cè)量系統(tǒng)中，如混頻器、功率放大器電路中,中的功率分配與耦合元件的性能將影響整個(gè)系統(tǒng)的通信質(zhì)量，而微帶功分器在實(shí)踐應(yīng)用中顯得更為突出。 3.Wilkinson功分器的優(yōu)點(diǎn) Wilkionson具有一些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)如下：功分器可以用作合成器,合成器也可以用作功分器，功率容量較低，可以均分輸出設(shè)計(jì)或者不均分輸出分設(shè)計(jì)，不可以傳輸DC，隔離度高。它的這些優(yōu)點(diǎn)使它具有相當(dāng)高的研究?jī)r(jià)值 以上幾點(diǎn)就是本次選題的意義所在,二 功分器的工作原理和技術(shù)指標(biāo),1.基本工作原理 功率分配器是三端口電路結(jié)構(gòu)，其信號(hào)輸入端的輸入功率為P1，而其它兩個(gè)輸出端的輸出功率分別為P2及P3。理論上，由能量守恒定律可知：P1=P2+P3。若P2P3并以毫瓦分貝（dbm）來(lái)表示三端口之間的關(guān)系，則可以寫成：P2=P3=P1-3（dbm）。,功分器各個(gè)端口特性如下: （1）端口1 無(wú)反射 （2）端口2 和端口3 輸出電壓相等且同相 （3）端口2、端口3 輸出功率比值為任意指定值1/ 由這些條件可以確定Z02,Z03及R2,R3的值。由于端口“2”, “3”的輸出功率和輸入電壓的關(guān)系為:P2=， P3= 因?yàn)橛校?又因?yàn)椋篣2 = U3 若?。?R2 = KZ0 則 R3 =Z0/k 由條件端口1 無(wú)反射,即要求由Zin2與Zin3并聯(lián)而成的總輸入阻抗等于Z0。由于在中心頻率處 則 ， 均為純電阻，所以：,如以輸入電阻表示功率比，則： 聯(lián)立可解得： 由于和等幅、同相，故在端口“2”，“3”間跨接一電阻R 并不影響功分器的性能。但當(dāng)“2”，“3”兩端口外接負(fù)載不等于 ， 時(shí)，來(lái)自負(fù)載的反射功率便分別由“2”,“3”兩端口輸入，此時(shí)該三端口網(wǎng)絡(luò)變?yōu)楣β屎铣善?。為使?”,“3”端口彼此隔離，須在期間加一吸收電阻R 起隔離作用。 隔離電阻的值為: 隔離電阻R 通常用鎳鎘合金或電阻粉等材料制成的薄膜電阻。當(dāng)k= 1時(shí),上面的結(jié)果化為功率等分情況。還可以看出,輸出線是阻抗 和 匹配的,而不與阻抗 匹配。,2.功分器的技術(shù)指標(biāo) 1.輸入端口的回波損耗 輸入端口1 的回波損耗根據(jù)輸入端口1 的反射功率和輸入功率之比來(lái)計(jì)算: 2.插入損耗 輸入端口的插入損耗根據(jù)輸出端口的輸出功率與輸入端口1 的輸入功率之比來(lái)計(jì)算： 3.輸出端口間的隔離度 輸出端口2 和輸出端口3 間的隔離度根據(jù)輸出端口2 的輸出功率和輸出端口3 的輸出功率之比來(lái)計(jì)算：,4.功分比 當(dāng)其他端口無(wú)反射時(shí)，功分比根據(jù)輸出端口3 的輸出功率 與輸出端口2的輸出功率 之比來(lái)計(jì)算： 5.相位平滑度 在做功率合成應(yīng)用時(shí)，功分器輸出端口的相位平滑度直接影響功率合成的效率。,三 功分器原理圖的設(shè)計(jì)與仿真,等分威爾金森功分器的設(shè)計(jì)指標(biāo) 等分威爾金森功分器的設(shè)計(jì)指標(biāo): 工作頻率：2.5GHz 頻帶內(nèi)輸入端口的回波損耗：C1120dB 頻帶內(nèi)的插入損耗：C2125dB 2.建立工程與設(shè)計(jì)原理圖 建立工程：這部分主要是對(duì)ADS軟件的運(yùn)用。 設(shè)計(jì)原理圖：大致分為五個(gè)小的部分，輸入端口，兩個(gè)匹配分支和兩個(gè)輸出端口。,所用電路元件為“TLines-Microstrip”元件庫(kù)中的： ： ：一般微帶線 ：弧形微帶線 ：微帶T型結(jié) : 微帶基片 : 薄膜電阻 在微帶線器件面板中選擇MLIN與MTEE插入原理圖中，并用導(dǎo)線連接起來(lái)，構(gòu)成功率分配器的輸入端口。雙擊MLIN、，在彈出的參數(shù)設(shè)置窗口中設(shè)置MLIN的W=w1mm、L=5mm。用同樣的方法設(shè)置MTEE的W1=2mm，W2=w2mm和W3=w1mm。完成參數(shù)設(shè)置設(shè)計(jì)出來(lái)的輸入端口電路，輸入端口的電路連接如圖1 所示。 圖1：輸入端口連接圖,同理，選用元件庫(kù)中的元件，搭建其余的兩個(gè)兩個(gè)支路和兩個(gè)輸出端口并設(shè)置參數(shù)，完成如圖2,3,4,5所示 圖2： 功率分配器的一路分支線 圖3：功分器的另一支路線路 圖4：功率分配器的一個(gè)輸出端口 圖5：功率分配器的另一個(gè)輸出端口,把輸入端口電路，阻抗變換電路和輸出端口電路用導(dǎo)線連接在一起，就構(gòu)成了一個(gè)完整的微帶型威爾金森功分器，如圖6所示。 圖6：完整的功率分配器的電路圖,基本參數(shù)設(shè)置 由于微帶線是由金屬覆蓋在介質(zhì)材料表面構(gòu)成，不同的金屬材料和介質(zhì)材料的電氣特性會(huì)導(dǎo)致同樣尺寸的微帶線特性阻抗不同，因此需要對(duì)微帶線的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。微帶線的參數(shù)的設(shè)置步驟如下。 在微帶面板中選擇微帶線參數(shù)設(shè)置控件“MSUB”（微帶基板）插入原理圖中。雙擊原理圖中的“MUSB”控件，然后再?gòu)棾龅膶?duì)話框中設(shè)置參數(shù)，具體參數(shù)如下： H=0.8 mm，表示微帶線介質(zhì)基片厚度為0.8mm。 Er=4.3 mm，表示微帶線介質(zhì)基片的相對(duì)介電常 數(shù)為4.3。 Mur=1，表示微帶線介質(zhì)基片的相對(duì)磁導(dǎo)率為1。 Cond=5.88E+7，表示微帶線金屬片得電導(dǎo)率 5.88E+7。 Hu=1.0e+033mm，表示微帶電路的封裝高度為 1.0e+033mm。 T=0.03mm，表示微帶線金屬片得厚度為0.33mm。 TanD=1e-4，表示微帶線的損耗角正切為1e-4。 Roungh=0mm，表示微帶線的表面粗糙度為0mm。 完成設(shè)置的MSUB控件如圖7所示： 圖7：完成設(shè)置的Msub控件,除了介質(zhì)材料和金屬材料的特性參數(shù)的設(shè)置。還需要設(shè)置圖6中每段微帶線的尺寸參數(shù)，在設(shè)置前需要對(duì)它們的尺寸參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。由功率分配器的理論知識(shí)分析可以知道，輸入端口傳輸線的特性阻抗應(yīng)該為50，可以計(jì)算出來(lái)兩支路傳輸線的特性阻抗應(yīng)為70.7。特性阻抗為50傳輸線的線寬和特性阻抗為70.7、電長(zhǎng)度為傳輸線的線寬和線長(zhǎng)度都可以通過傳輸線計(jì)算工具“LineCalc”計(jì)算 通過“LineCalc”計(jì)算的結(jié)果是:輸入口微帶線寬度1.520840mm， 匹配段的線寬為0.788532mm，線長(zhǎng)為17.130700mm（約為四分之一波長(zhǎng)）。然后通過ADS軟件中的“VAR”控件將參數(shù)應(yīng)用到功率分配器的各段傳輸線中去。分別為W1=1.520840mm，W2=0.788532mm，LH=6.5(此處不設(shè)單位，在設(shè)置微帶線時(shí)另行設(shè)定)。 完成“VAR”參數(shù)的設(shè)定后,依次雙擊原理圖中功分器的各段微帶線,并設(shè)置微帶線的寬度W 與長(zhǎng)度L,單位為mm。具體的變量設(shè)置如圖8所示。,圖8：完整的微帶型威爾金森功分器的電路原理圖,功分器原理圖仿真 完成原理圖的設(shè)計(jì)后，就可以對(duì)功率分配器的原理圖進(jìn)行仿真，根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。主要對(duì)它的電路S 參數(shù)進(jìn)行仿真和分析，原理圖的仿真步驟如下： 在原理圖設(shè)計(jì)窗口中選擇S 參數(shù)仿真軟件面板“Simulation-S_Param”，選擇S 參數(shù)掃描控件插入原理圖中，雙擊原理圖中的控件“SP”對(duì)其參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，選擇掃描類型“Sweep Type”為線性“Linear”，根據(jù)功分器的指標(biāo)設(shè)置掃描的頻率范圍和步長(zhǎng)“Start”為2GHz,“Stop”為3GHz，“Step-size”為0.01GHz。 選擇元件“Term” 放置在功分器3 個(gè)端口上，用來(lái)定義端口1、2 和3，然后單擊工具欄的圖標(biāo)，放置3 個(gè)“地”與“Term”相連，完整的電路圖如圖9所示。,圖9：用于S參數(shù)仿真的電路圖 完成所有的連接和仿真參數(shù)設(shè)置后,就可以對(duì)電路進(jìn)行S 參數(shù)進(jìn)行仿真。分別將S（11）、S(21)、S(31)、S(23)、S（32）添加到數(shù)據(jù)顯示窗口，最終的S參數(shù)如圖10所示。,圖10：參數(shù)仿真結(jié)果圖 采取理論計(jì)算的結(jié)果作為功分器的參數(shù)時(shí)，各個(gè)指標(biāo)可能不是最理想的，所以還需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。,功分器的電路參數(shù)的優(yōu)化 為了實(shí)現(xiàn)輸入匹配，輸入端口傳輸線的特性阻抗必須為50因此必須使w1=1.520840以達(dá)到輸入阻抗的匹配。這里主要通過改變w2 和LH這兩個(gè)變量的值，優(yōu)化系統(tǒng)的各個(gè)指標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。為了達(dá)到改變w2 和lh 這兩個(gè)變量值得目的，首先需要在VAR 控件中設(shè)定這兩個(gè)變量的范圍。將LH的優(yōu)化范圍設(shè)置為5-20，W2的優(yōu)化范圍設(shè)置為0.7-0.9. 設(shè)置完成優(yōu)化參數(shù)w2 和LH后，還需要選擇優(yōu)化方式和優(yōu)化目標(biāo)。這里總共設(shè)置了4 個(gè)優(yōu)化目標(biāo)，所以需要一個(gè)“optim”控件和4 個(gè)Goal 控件，分別優(yōu)化S(1,1)、S(2,2)、S(2,1)和S(2,3)。因?yàn)殡娐返膶?duì)稱性，S(3,1)和S(3,3)不用設(shè)置優(yōu)化，S(1,1)和S(2,2)分別用來(lái)設(shè)定輸入輸出端口的反射系數(shù)，S(2,1)用來(lái)設(shè)定功分器通帶內(nèi)的衰減情況，S(2,3)用來(lái)設(shè)定兩個(gè)輸出端口的隔離度。并對(duì)優(yōu)化控件進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。加入優(yōu)化控件后的完整電路圖如圖11所示。,圖11:加入優(yōu)化元件后的功分器原理圖 優(yōu)化完成后，下面觀察優(yōu)化后的仿真曲線。必須關(guān)掉優(yōu)化控件，才能觀察仿真的曲線。最終仿真結(jié)果同樣如圖12所示,圖11：優(yōu)化后的S 參數(shù)仿真結(jié)果圖,四 功分器的版圖生成與仿