T型功分器的設(shè)計(jì)與仿真

1、T型功分器的設(shè)計(jì)與仿真改進(jìn)型威爾金森功分器的工作原理功率分配器屬于無源微波器件，它的作用是將一個(gè)輸入信號(hào)分成兩個(gè)（或多個(gè)）較小功率的信號(hào)，工程上常用的功分器有T型結(jié)和威爾金森功分器。威爾金森功分器是最常用的一種功率分配器。圖1所示的為標(biāo)準(zhǔn)的二路威爾金森等功率分配器。從合路端口輸入的射頻信號(hào)被分成幅度和相位都相等的兩路信號(hào)，分別經(jīng)過傳輸線Bl和BZ,到達(dá)隔離電阻兩端，然后從兩個(gè)分路端口輸出,離電阻R兩端的信號(hào)幅度和相位都相等，R上不存在差模信號(hào)，所以它不會(huì)消耗功率，如果我們不考慮傳輸線的損耗，則每路分路端口將輸出二分之一功率的信號(hào)。分路端口一分路端口二圖1威爾金森功分器但是這種經(jīng)典威爾金森等功率

2、分配器有幾個(gè)缺點(diǎn):1、大功率應(yīng)用的時(shí)候，要求隔離電阻的耗散功率大因此電阻的體積也會(huì)比較大2、如果功分器應(yīng)用于較高的頻段，波長(zhǎng)就會(huì)與大功率電阻的尺寸相比擬，這樣就需要考慮電阻的分布參數(shù)。3、為了提高功分器性能，就要盡量減小Bl和BZ這兩段傳輸線之間的藕合，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，要求四分之一波長(zhǎng)傳輸線Bl、BZ之間的距離較大，在低頻應(yīng)用時(shí)，由于四分之一波長(zhǎng)較長(zhǎng)，占用面積還是太大了，此外，四分之一波長(zhǎng)傳輸線Bl、BZ的阻抗較高，因此線寬較細(xì)，制板的相對(duì)誤差更大24。為克服這些缺點(diǎn)，本文采用了一種改進(jìn)型的威爾金森等功率分配器，如圖2所示分路端I1-合路端口C2|分路端口二圖2改進(jìn)型威爾金森功分器可以看到，

3、它僅由四段傳輸線組成，沒有隔離電阻。傳輸線A、Cl、CZ的特征阻抗均為Z0。傳輸線B位于A和Cl、CZ之間，它的電長(zhǎng)度為四分之一波長(zhǎng)，特征阻抗為ZO/,2。從合路端輸入的信號(hào)，通過傳輸線B,被分成幅度和相位相等的的兩路信號(hào)，分別經(jīng)過傳輸線Cl和C2到達(dá)分路端口一和二，在整個(gè)結(jié)構(gòu)中，傳輸線B起到了阻抗變換的作用。從傳輸線A、B相接處向左看，輸入阻抗為Z0。從傳輸線B與Cl、C2相接處向右看，輸入阻抗為Z0/2。利用四分之一阻抗變換器的原理我們知道，傳輸線的特征阻抗為.207072,即zo/t2。因此，整個(gè)電路處于功率分配與合成時(shí)，在中心頻點(diǎn)處，三個(gè)端口都能匹配良好，沒有反射。這種改進(jìn)型的結(jié)構(gòu)克服

4、了標(biāo)準(zhǔn)威爾金森功分器的一系列缺點(diǎn)，同時(shí)由于省略了隔離電阻，所以成本降低，也不存在電阻分布參數(shù)的問題，與傳統(tǒng)威爾金森功分器相比，減少了一段四分之一波長(zhǎng)傳輸線，另外，構(gòu)成變換器的四分之一波長(zhǎng)傳輸線B的特征阻抗較低，線寬較寬，能有效降低制板誤差。2功分器的設(shè)計(jì)與仿真通過前面的分析，我們知道改進(jìn)型威爾金森功分器四段傳輸線特征阻抗之間的比例關(guān)系。由此可得，傳輸線A、C1和C2的特征阻抗均為50Q，而傳輸線B的特征阻抗為ZO邁=350為了實(shí)現(xiàn)右旋圓極化，經(jīng)過C2輸出的信號(hào)要比經(jīng)過Cl的相位超前90。，即Cl要比C2長(zhǎng)1/4九（九為中心頻率所對(duì)應(yīng)的介質(zhì)波長(zhǎng)）。設(shè)計(jì)的功率分配器gg如圖3所示，傳輸線段B的長(zhǎng)度

5、約為1/4九，起阻抗變換的作用。傳輸線段gCl、C2的3、4分段長(zhǎng)度相等，而Cl的1、2分段長(zhǎng)度之和為1/4九，這樣就g使得Cl比C2長(zhǎng)1/4九，同時(shí)，傳輸線彎角處采用45。形式，以減小拐角處不g連續(xù)所引起的反射和幅射。La”分路端門：圖3威爾金森功分器設(shè)計(jì)圖采用介電常數(shù)為4.4,厚度為lrn們n的FR4板材來制作功分器。我們利用TXLine軟件來計(jì)算各段傳輸線線的寬度。TXLine是一款專門用于計(jì)算傳輸線參數(shù)的軟件，簡(jiǎn)單實(shí)用。運(yùn)行界面如圖4所示，選擇微帶線模式(MicrostriP)，中心頻率為1.593GHz、介電常數(shù)4.4、介質(zhì)基片厚度1mm、阻抗值先后輸入50和35、銅箔厚度0.017

6、mm等參數(shù)，就可以計(jì)算出微帶線的初始寬度。經(jīng)過計(jì)算，特性阻抗為350和500微帶線的初始寬度分別為:3.3mm和1.9rnrn。計(jì)算出傳輸線的寬度后，我們對(duì)饋電功分網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行布局，根據(jù)需要對(duì)局部傳輸線的長(zhǎng)度進(jìn)行小范圍調(diào)整。MatenalParametersConductivityj5.98E+O7HMWHCoupledSliiplineConductoriSilvei0.001LossTangeniPhysicalCharactefisticElectricalCharaderjslicsPhysic創(chuàng)LenolhILWidth阿Height(HThicknessTEffectiveDiel.C

7、onsLMidostrp|SiplineiCPW匸阿Gfound1R&undCowial|SlotfineCoupledMSLineip!|18tHDadectric|GaA$DidectricConstant.衣IrnpedancaFiequencyi1.593；QHz*=：ElectricalLengthiIsT1加_zJPheeConsent35B439n：3.511O20778643一圖4TXLine計(jì)算微帶線寬度【251089mm十!gl86ImmJ廠imm|10.017下面我們使用ADs電磁仿真軟件對(duì)饋電網(wǎng)絡(luò)功分器進(jìn)行仿真優(yōu)化。利用上節(jié)設(shè)計(jì)所得到的初始尺寸，建立如圖4所示的功分器原

8、理圖，利用ADS中OPTIM控件的優(yōu)化功能，經(jīng)過數(shù)次優(yōu)化，最終得到的仿真結(jié)果如圖5所示:OeND_MDSBandlSubsiSutirW=w_50mmM_INTL2Sub&tlVESublMS06ND_MDSIlBend2ySub比倔ublW=w_3Qmmstw_5.JmmL=L別mtnTermTennlZ-50CrmdZU-INTL1W=w_50mmL-35rrimoMSTEPSleplSubst=,MSub1Wlw_35mmV2-w_50mm-CJMLJ啊TL4Subsi=74&ulj1W=w_35mrrtL=L_15mmM.INTL5Sub5t=*MSubtrtW=w_5&mmL=L_$

9、0mmclMTEE_ADSTeelSti井MSubdW1=w_50mmt*V2=w_35mmW3?w_S0mmCZh-MJNTL6Sutost=TtSijb1*VJ=w,0mmL=JImmTLBSubsMSubiW=w_50mmL=2各mmTermTerm2Num=2Z=50dimMSOBND_WDSSend3SutjstWj&VW=w50mmFXINTL3Subsl=IMSubrWw_50mmL=25minkMSOeWD_hDSBendiSubstMSubrW=w50mmTermTemi3NuRIaSZ50Dtlffl圖4功分器ADS原理圖圖5功分器ADS原理圖仿真結(jié)果從圖5(a)中可以看出，dB(s(3,1)和dB(s(2,1)在通帶范圍內(nèi)基本都保持在-3dB,即兩個(gè)輸出端口的信號(hào)功率都近似為輸入信號(hào)的一半，dB(s(1，1)在通帶范圍內(nèi)均在-30dB以下，輸入端匹配良好;圖5(b)為兩輸出端的相位差，從中可以看出，在通帶范圍內(nèi)相位差基本保持在90左右，滿足設(shè)計(jì)要求。版圖的仿真是采用矩量法直接對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，它的仿真結(jié)果要比原理圖更加精確一些，由原理圖生成的版圖如圖6所示:圖6功分器ADS版圖空-世筆aL0s)aseuafreq