第9章功率分配器的设计与仿真

1第9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。【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。9.1.1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。3P32P21P1功分器图9-1功分器示意图第9章功率分配器的设计与仿真2（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outindPPAlg10（9-2）式中outinkPP。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diAAA（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outjiniijPPAlg10（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Δ形和Y形，图9-2所示。9.2集总参数功分器设计及仿真31P12P23P3Z0Z0Z0Z0/3Z0/3Z0/3U0U1U2U3(a)Δ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=50Ω，则110323421UUU03243UUU1221UUdBUU6lg2012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。1P12P23P3LSLSCPCPZ01P12P23P3LPCSZ0CSLP(a)低通型(b)高通型图9-3L-C式集总参数功分器（1）低通型000000212fZCZLPS（9-5）（2）高通型第9章功率分配器的设计与仿真400000022fZCZLsP（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nHLp96.7，pFCs5.4。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。9.2集总参数功分器设计及仿真5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。m3freq=dB(S(1,1))=-13.6261.000GHzm2freq=dB(S(2,1))=-3.979980.0MHzm1freq=dB(S(3,1))=-3.0621.000GHz0.920.940.960.981.001.021.041.061.080.901.10-14-12-10-8-6-4-2-160freq,GHzdB(S(1,1))Readoutm3dB(S(2,1))Readoutm2dB(S(3,1))Readoutm1m3freq=dB(S(1,1))=-13.6261.000GHzm2freq=dB(S(2,1))=-3.979980.0MHzm1freq=dB(S(3,1))=-3.0621.000GHz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。第9章功率分配器的设计与仿真613kPP12)1(PkPkZZS120kZZPS2（9-7）kZZS100sSZLkkZZP10PPZC01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S11-10dB，S21-2dB，S31-12dB。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nHLs10，pFCp4.1。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9.3Wilkinson功分器设计及仿真7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m1freq=dB(S(2,1))=-1.037750.0MHzm2freq=dB(S(3,1))=-9.843700.0MHzm3freq=dB(S(1,1))=-13.178750.0MHz650700750800850600900-16-14-12-10-8-6-4-2-180freq,MHzdB(S(1,1))Readoutm3dB(S(2,1))Readoutm1dB(S(3,1))700.0M-9.843m2m1freq=dB(S(2,1))=-1.037750.0MHzm2freq=dB(S(3,1))=-9.843700.0MHzm3freq=dB(S(1,1))=-13.178750.0MHz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。第9章功率分配器的设计与仿真8(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。0Z0Z0Z02Z02Z02Z4/4/(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3.4r，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