Wilkinson功分器設計與仿真ppt課件

1、課題任務和技術(shù)指標課題任務和技術(shù)指標 u課題任務：課題任務： 通過通過對對功分器的學習，利用功分器的學習，利用ADSADS仿真軟件，設計一仿真軟件，設計一 個威爾金森功分器，并仿真得到其各端口的個威爾金森功分器，并仿真得到其各端口的S S參數(shù)。參數(shù)。 u等分威爾金森功分器設計主要技術(shù)指標：等分威爾金森功分器設計主要技術(shù)指標： 工作工作頻率：頻率：2.52.5GHzGHz 頻帶內(nèi)輸入端口的回波損耗：頻帶內(nèi)輸入端口的回波損耗：C1120dBC1120dB 頻帶內(nèi)的插入損耗：頻帶內(nèi)的插入損耗：C213.1dB,C313.1dBC213.1dB,C3125dBC2325dB 課題研究難點、重點及其關鍵

2、是什么？課題研究難點、重點及其關鍵是什么？ l 功分器設計的難點功分器微帶電路的設計以及功分器設計的難點功分器微帶電路的設計以及 隔離電阻的選擇。隔離電阻的選擇。 l 功分器設計的重點功分器原理圖的仿真及優(yōu)化功分器設計的重點功分器原理圖的仿真及優(yōu)化 l 功分器設計的關鍵是電路參數(shù)的優(yōu)化，以及版功分器設計的關鍵是電路參數(shù)的優(yōu)化，以及版 圖的仿真圖的仿真。 目錄： l 選題背景 l 功分器的工作原理和技術(shù)指標 l 功分器原理圖的設計與優(yōu)化 l 功分器的版圖生成與仿真 一選題背景：一選題背景： 什么是功分器 功率分配器是將輸入信號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，廣泛應用于雷達

3、、多路中繼通信機等 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，因此有時又稱為功率分配/合成器。 2. 功分器的重要性 隨著無線通信技術(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計使微帶技術(shù)發(fā) 揮了優(yōu)勢。單波傳輸使得系統(tǒng)的增益達不到實際的要求，從而必 須實現(xiàn)多波傳輸，也就是將功率進行分配，即產(chǎn)生了功率分 配 器，簡稱功分器。本文設計仿真的是最簡單最經(jīng)典的威爾金森功 分器，在射頻電路和測量系統(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系統(tǒng)的通信質(zhì)量，而 微帶功分器在實踐應用中顯得更為突出。 3.Wilki

4、nson3.Wilkinson功分器的優(yōu)點功分器的優(yōu)點 Wilkionson具有一些獨特的優(yōu)點如下：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 計或者不均分輸出分設計，不可以傳輸DC，隔離度高。它的這些 優(yōu)點使它具有相當高的研究價值 u 以上幾點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 1.1.基本工作原理基本工作原理 功率分配器是三端口電路結(jié)構(gòu)，其信號輸入端的輸入功率為P1， 而其它兩個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）來表示三端口 之間的關系，則可以寫成：P2=P

5、3=P1-3（dbm）。 u 功分器各個端口特性如下: （1）端口1 無反射 （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系為:P2=， P3= 因為有： 又因為：U2 = U3 若取： R2 = KZ0 則 R3 =Z0/k 由條件端口1 無反射,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： 2 k 2 2 2 2 1 R u 3 2 3 2 1 R u 2 32 P P K 3 2

6、3 2 2 2 2 22R U K R U 3 22 RKR 2 02 3 R Z Zin 00302 111 ZZZ 2 / 3 03 3 R Z Zin 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“2”，“3”兩端口外接負載不等于 ， 時， 來自負載的反射功率便分別由“2”,“3”兩端口輸入，此時該三端口 網(wǎng)絡變?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k= 1時,上面的結(jié)果化為功率等

7、 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。 22 02 2 3 2 03 2 3 2 3 1 kZ R R Z Z Z P P in in 2 002 1 kkZZ 3 2 003 1 k k ZZ 2 R 3 R k kZR 1 0 02 kZR R Z R 0 3 0 Z 2.2.功分器的技術(shù)指標功分器的技術(shù)指標 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 比來計算: 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 入功率之比來計算： 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

8、據(jù)輸出端口2 的輸出功率 和輸出端口3 的輸出功率之比來計算： 1111 2010SLog P P LogC i r 21 2 21 2010SLog P P LogC i 31 3 31 2010SLog P P LogC i 31 21 3 2 23 2010 S S Log P P LogC 4.功分比 當其他端口無反射時，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 之比來計算： 5.相位平滑度 在做功率合成應用時，功分器輸出端口的相位平滑度直接影響功 率合成的效率。 3 P 2 P 2 32 P P K 三三 功分器原理圖的設計與仿真功分器原理圖的設計與仿真 等分威爾金

9、森功分器的設計指標等分威爾金森功分器的設計指標 等分威爾金森功分器的設計指標: 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：C213.1dB,C3125dB 2.2.建立工程與設計原理圖建立工程與設計原理圖 建立工程：這部分主要是對ADS軟件的運用。 設計原理圖：大致分為五個小的部分，輸入端口，兩個匹配分支和 兩個輸出端口。 所用電路元件為“TLines-Microstrip”元件庫中的： ： ：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，并用導線連接 起來，構(gòu)成功率分配器的輸

10、入端口。雙擊MLIN、，在彈出的參數(shù)設 置窗口中設置MLIN的W=w1mm、L=5mm。用同樣的方法設置MTEE的 W1=2mm，W2=w2mm和W3=w1mm。完成參數(shù)設置設計出來的輸入端口電 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，選用元件庫中的元件，搭建其余的兩個兩個支路和兩個輸出端 口并設置參數(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：功率分配器的一個輸出端口 圖5：功率分配器的另一個輸出端口 把輸入端口電路，阻抗變換電路和輸出端口電路用導線連接在一起， 就構(gòu)成了一個完整的微帶型威爾金森功分器，如圖6所示。

11、 圖6：完整的功率分配器的電路圖 基本參數(shù)設置基本參數(shù)設置 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 料的電氣特性會導致同樣尺寸的微帶線特性阻抗不同，因此需要對微帶線 的相關參數(shù)進行設置。微帶線的參數(shù)的設置步驟如下。 在微帶面板中選擇微帶線參數(shù)設置控件“MSUB”（微帶基板）插 入原理圖中。雙擊原理圖中的“MUSB”控件，然后再彈出的對話框中設置 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)基片的相對介電常 數(shù)為4.3。 Mur=1，表示微帶線介質(zhì)基片的相對磁導率為1。 Cond=5.88E+7，表示微

12、帶線金屬片得電導率 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。 完成設置的MSUB控件如圖7所示： 圖7：完成設置的Msub控件 除了介質(zhì)材料和金屬材料的特性參數(shù)的設置。還需要設置圖6中每段 微帶線的尺寸參數(shù)，在設置前需要對它們的尺寸參數(shù)進行計算。由功 率分配器的理論知識分析可以知道，輸入端口傳輸線的特性阻抗應該 為50，可以計算出來兩支路傳輸線的特性阻抗應為70.7。特性阻

13、 抗為50傳輸線的線寬和特性阻抗為70.7、電長度為傳輸線的線寬和 線長度都可以通過傳輸線計算工具“LineCalc”計算 通過“LineCalc”計算的結(jié)果是:輸入口微帶線寬度1.520840mm， 匹配段的線寬為0.788532mm，線長為17.130700mm（約為四分之一 波長）。然后通過ADS軟件中的“VAR”控件將參數(shù)應用到功率分配器 的各段傳輸線中去。分別為W1=1.520840mm，W2=0.788532mm， LH=6.5(此處不設單位，在設置微帶線時另行設定)。 完成“VAR”參數(shù)的設定后,依次雙擊原理圖中功分器的各段微帶 線,并設置微帶線的寬度W 與長度L,單位為mm。具

14、體的變量設置如圖8 所示。 4/ 圖8：完整的微帶型威爾金森功分器的電路原理圖 功分器原理圖仿真功分器原理圖仿真 完成原理圖的設計后，就可以對功率分配器的原理 圖進行仿真，根據(jù)設計指標的要求。主要對它的電路S 參數(shù)進行仿真和分析，原理圖的仿真步驟如下： 在原理圖設計窗口中選擇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”對其參數(shù)進行設置，選擇掃描類型“Sweep Type”為線 性“Linear”，根據(jù)功分器的指標設置掃描的頻率范圍和步長 “Start”為2GHz,“Stop”為3GHz，“Step-size”為0

15、.01GHz。 選擇元件“Term” 放置在功分器3 個端口上，用來定義端口1、2 和3，然后單擊工具欄的圖標，放置3 個“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)設置后,就可以對電路進行S 參數(shù)進行 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 采取理論計算的結(jié)果作為功分器的參數(shù)時，各個指標可能不是最理 想的，所以還需要對其進行優(yōu)化。 功分器的電路參數(shù)的優(yōu)化功分器的電路參數(shù)的優(yōu)化 為了實現(xiàn)輸入匹配，輸入端口傳輸線的特性阻抗必須為5

16、0因此必 須使w1=1.520840以達到輸入阻抗的匹配。這里主要通過改變w2 和 LH這兩個變量的值，優(yōu)化系統(tǒng)的各個指標，以實現(xiàn)阻抗匹配。為了 達到改變w2 和lh 這兩個變量值得目的，首先需要在VAR 控件中設 定這兩個變量的范圍。將LH的優(yōu)化范圍設置為5-20，W2的優(yōu)化范圍 設置為0.7-0.9. 設置完成優(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。這 里總共設置了4 個優(yōu)化目標，所以需要一個“optim”控件和4 個 Goal 控件，分別優(yōu)化S(1,1)、S(2,2)、S(2,1)和S(2,3)。因為電路 的對稱性，S(3,1)和S(3,3)不用設置優(yōu)化，S(1,1)和S(2,2)分別用 來設定輸入輸出端口的反射系數(shù)，S(2,1)用來設定功分器通帶內(nèi)的 衰減情況，S(2,3)用來設定兩個輸出端口的隔離度。并對優(yōu)化控件 進行參數(shù)設置。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 四四 功分器的版圖生成與仿真功分器的版圖生成與仿真 功分器版圖的生成功分器版圖的生成 關掉優(yōu)化控件“Optim”和4 個“Goal”元件。在進行版圖生 成時，他們就不會出現(xiàn)在所生成的版圖中。然后進行版