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

將一路微波功率按一定比例分成n路輸出的功率元件稱為功率分配器。按輸出功率比例不同,可分為等功率分配器和不等功率分配器。在結(jié)構(gòu)上,大功率往往采用同軸線而中小功率常采用微帶線。下面介紹兩路微帶功率分配器以及微帶環(huán)形電橋的工作原理。 5.1.1功率分配器的技術(shù)指標(biāo) 功率分配器的技術(shù)指標(biāo)包括頻率范圍、承受功率、主路到支路的分配損耗、輸入輸出間的插入損耗、支路端口間的隔離度、每個端口的電壓駐波比等。

(1)頻率范圍

(2)承受功率

(3)分配損耗定義

兩等分功率分配器的分配損耗是3dB,

四等分功率分配器的分配損耗是6dB。

(4)插入損耗。定義

Ai=A-Ad

其中,A是實際測量值。(5)隔離度。在主路和其他支路都接匹配負(fù)載的情況下,i口和j口的隔離度定義為(6)駐波比

5.2分布參數(shù)功率分配器 5.3.1微帶線功率分配器 功率分配器/合成器有兩路和多路或三路情況,下面分別介紹。 1.兩路功率分配器 圖5-8是兩路微帶線威爾金森功率分配器示意圖。這是一個功率等分器,P2=P3=P1-3dB,Z0是特性阻抗,λg是信號的波導(dǎo)波長,R是隔離電阻。當(dāng)信號從端口1輸入時,功率從端口2和端口3等功率輸出。如果有必要,輸出功率可按一定比例分配,并保持電壓同相,電阻R上無電流,不吸收功率。圖5-8威爾金森功率分配器

若端口2或端口3有失配,則反射功率通過分支叉口和電阻兩路到達(dá)另一支路的電壓等幅反相而抵消,在此點沒有輸出,從而可保證兩輸出端有良好的隔離。 考慮一般情況(比例分配輸入功率),設(shè)端口3和端口2的輸出功率比為k2,即（5-6）

由于端口1到端口2與端口1到端口3的線長度相等,故端口2的電壓U2與端口3的電壓U3相等,即U2=U3。端口2和端口3的輸出功率與電壓的關(guān)系為 將上式代入式（5-6）,得

（5-7）

（5-8）

即 Z2=k2Z3（5-9） 式中,Z2.Z3為端口2和端口3的輸入阻抗,若選 則可以滿足式（5-9）。為了保證端口1匹配,應(yīng)有

（5-10）（5-11）

同時考慮到

則 所以

（5-12）

為了實現(xiàn)端口2和端口3隔離,即端口2或端口3的反射波不會進(jìn)入端口3或端口2,可選

在等功率分配的情況下,即P2=P3,k=1,于是（5-13）

微帶線功率分配器的實際結(jié)構(gòu)可以是圓環(huán)形或長方形,便于加工和隔離電阻的安裝,如圖5-9所示。

圖5-9（a)長方形微帶線功率分配器圖5-9（b)圓環(huán)形微帶線功率分配器 設(shè)計實例: 設(shè)工作頻率為f0=1000MHz,特性阻抗為Z0=50Ω,功率比例為k=1,且要求在1000±100MHz的范圍內(nèi)帶內(nèi)各端口反射系數(shù)小于-20dB（即S11≤-20dB,S22≤-20dBS33≤-20dB）,傳輸損耗小于3.1dB（即S21≥-3.1dB,S31≥-3.1dB）,兩輸出端隔離度小于-25dB（即S23≤-25dB）。由式（5-13）可知Z02=Z03=Z0=70.7Ω,R=2Z0=100Ω。介質(zhì)基片選用厚度H=0.8mm,對介電常數(shù)Er=4.3,金屬層厚度T=0.03mm,損耗角正切TanD=0.00001。采用ADS微波設(shè)計軟件進(jìn)行仿真,功率分配器電路圖及仿真結(jié)果如下。ADS軟件的使用啟動ADS進(jìn)入如下界面創(chuàng)建新的工程文件點擊File->NewProject設(shè)置工程文件名稱（本例中為divider）及存儲路徑點擊LengthUnit設(shè)置長度單位為毫米創(chuàng)建新的工程文件（續(xù)）工程文件創(chuàng)建完畢后主窗口變?yōu)橄聢D創(chuàng)建新的工程文件（續(xù)）同時原理圖設(shè)計窗口打開功分器的設(shè)計下圖是一個等功率分配器,它由兩段不同特性阻抗的微帶線組成,兩臂是對稱的。我們以這種結(jié)構(gòu)的功分器為例,介紹一下設(shè)計的過程。123功分器的設(shè)計（續(xù)）在進(jìn)行設(shè)計時，主要是以功分器的S參數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化仿真。S21、S31是傳輸參數(shù)，反映傳輸損耗；S11、S22.S33分別是輸入輸出端口的反射系數(shù)。S23反映了兩個輸出端口之間的隔離度。生成功分器的原理圖在原理圖設(shè)計窗口中選擇微帶電路的工具 欄窗口左側(cè)的工具欄變?yōu)橛覉D所示選擇微帶線以及控件MSUB分別放置在繪圖區(qū)中選擇畫線工具將電路連接好, 連接方式見下頁圖（本圖只是提供參考,還有其它形式可供選擇。）功分器的原理圖示例

設(shè)置微帶電路的基本參數(shù)雙擊圖上的控件MSUB設(shè)置微帶線參數(shù)H:基板厚度(0.8mm)Er:基板相對介電常數(shù)(4.3)Mur:磁導(dǎo)率(1)Cond:金屬電導(dǎo)率(5.88E+7)Hu:封裝高度(1.0e+33mm)T:金屬層厚度(0.03mm)TanD:損耗角正切(1e-4)Roungh:表面粗糙度(0mm)微帶線計算工具功分器兩邊的引出線是特性阻抗為50歐姆的微帶線,它的寬度W可由微帶線計算工具得到。填入50Ohm可以算出微帶線的線寬1.52mm。填入70.7Ohm和90deg可以算出微帶線的線寬0.79mm和長度42.9mm(四分之一波長)。設(shè)置微帶器件的參數(shù)雙擊每個微帶線設(shè)置參數(shù),W、L分別設(shè)為相應(yīng)的變量或常量,單位mm,注意上下兩臂的對稱性。添加變量單擊工具欄上的VAR圖標(biāo),把變量控件VAR放置在原理圖上,雙擊該圖標(biāo)彈出變量設(shè)置窗口,依次添加W,L參數(shù)。中間微帶線的長度大約為四分之一波長(根據(jù)中心頻率用微帶線計算工具算出),各個線寬的初始值可以用微帶線計算工具算出,微帶線的寬度最窄只能取0.2mm(最好取0.5mm以上)。S參數(shù)仿真電路設(shè)置在原理圖設(shè)計窗口中選擇S參數(shù)仿真的工具欄選擇Term放置在功分器三個端口上，用來定義端口1.2和3，點擊圖標(biāo)，放置三個地，并按照下頁圖連接好電路。選擇S參數(shù)掃描控件放置在原理圖中，并設(shè)置掃描的頻率范圍和步長，頻率范圍根據(jù)功分器的指標(biāo)確定。S參數(shù)仿真電路設(shè)置（續(xù)）

優(yōu)化目標(biāo)的設(shè)置在原理圖設(shè)計窗口中選擇優(yōu)化工具欄選擇優(yōu)化設(shè)置控件放置在原理圖中,雙擊該控件設(shè)置優(yōu)化方法及優(yōu)化次數(shù)。常用的優(yōu)化方法有Random(隨機(jī))、Gradient(梯度)等。隨機(jī)法通常用于大范圍搜索,梯度法則用于局部收斂優(yōu)化目標(biāo)的設(shè)置（續(xù)）這里總共設(shè)置了四個優(yōu)化目標(biāo),由于電路的對稱性,S31和S33不用設(shè)置優(yōu)化。S11和S22分別用來設(shè)定輸入輸出端口的反射系數(shù),S21用來設(shè)定功分器通帶內(nèi)的衰減情況,S23用來設(shè)定兩個輸出端口的隔離度。優(yōu)化目標(biāo)的設(shè)置（續(xù)）

進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)置完優(yōu)化目標(biāo)后最好先把原理圖存儲一下,然后就可以進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化了。點擊工具欄中的Simulate按鈕就開始進(jìn)行優(yōu)化仿真了。在優(yōu)化過程中會打開一個狀態(tài)窗口顯示優(yōu)化的結(jié)果(見下頁圖),其中的CurrentEF表示與優(yōu)化目標(biāo)的偏差,數(shù)值越小表示越接近優(yōu)化目標(biāo),0表示達(dá)到了優(yōu)化目標(biāo),下面還列出了各優(yōu)化變量的值,當(dāng)優(yōu)化結(jié)束時還會打開圖形顯示窗口。在一次優(yōu)化完成后,要點擊原理圖窗口菜單中的Simulate->UpdateOptimizationValues保存優(yōu)化后的變量值(在VAR控件上可以看到變量的當(dāng)前值),否則優(yōu)化后的值將不保存。觀察仿真曲線優(yōu)化完成后必須關(guān)掉優(yōu)化控件,才能觀察仿真的曲線。方法是點擊原理圖工具欄中的按鈕,然后點擊優(yōu)化控件OPTIM,則控件上打了紅叉表示已經(jīng)被關(guān)掉。要想使控件重新開啟,只需點擊工具欄中的按鈕,然后點擊要開啟的控件,則控件上的紅叉消失,功能也重新恢復(fù)了。對于原理圖上其他的部件,如果想使其關(guān) 閉或開啟,也可以采取同樣的方法。點擊工具欄中的Simulate按鈕進(jìn)行仿真,仿真結(jié)束后會出現(xiàn)圖形顯示窗口。觀察仿真曲線（續(xù)）點擊圖形顯示窗口左側(cè)工具欄中的按鈕,放置一個方框到圖形窗口中,這時會彈出一個設(shè)置窗口(見下頁圖),在窗口左側(cè)的列表里選擇S(1,1)即S11參數(shù),點擊Add按鈕會彈出一個窗口設(shè)置單位(這里選擇dB),點擊兩次OK后,圖形窗口中顯示出S11隨頻率變化的曲線。用同樣的方法依次加入S22,S21,S23的曲線。為了準(zhǔn)確讀出曲線上的值,可以添加Marker,方法是點擊菜單中的Marker->New,出現(xiàn)InstertMarker的窗口,接著點擊要添加Marker的曲線,曲線上出現(xiàn)一個倒三角標(biāo)志,點擊拖動此標(biāo)志,可以看到曲線上各點的數(shù)值。觀察仿真曲線（續(xù)）觀察仿真曲線（續(xù)）觀察S參數(shù)曲線是否滿足指標(biāo)要求,如果已經(jīng)達(dá)到指標(biāo)要求,就可以進(jìn)行版圖的仿真了。版圖的仿真是采用矩量法直接對電磁場進(jìn)行計算,其結(jié)果比在原理圖中仿真要準(zhǔn)確,但是它的計算比較復(fù)雜,需要較長的時間,在此作為對原理圖設(shè)計的驗證。版圖的仿真首先要由原理圖生成版圖,生成版圖前先要把原理圖中用于S參數(shù)仿真的兩個Term以及接地去掉,不讓他們出現(xiàn)在生成的原理圖中。去掉的方法與前面關(guān)掉優(yōu)化控件的相同,都是使用按鈕,把這些元件打上紅叉(見下頁圖)。然后點擊菜單中的Layout->Generate/UpdateLayout,彈出一個設(shè)置窗口,直接點OK,又出現(xiàn)一個窗口,再點OK,完成版圖的生成,這時會打開一個顯示版圖的窗口,里面有剛生成的版圖。用于生成版圖的原理圖版圖仿真的窗口

版圖的仿真版圖生成后先要設(shè)置微帶電路的基本參數(shù)(即原理圖中MSUB里的參數(shù)),方法是點擊版圖窗口菜單中的Momentum->Substrate->UpdateFromSchematic從原理圖中獲得這些參數(shù),點擊Momentum->Substrate->Create/Modify可 以修改這些參數(shù)。版圖的仿真（續(xù)）為了進(jìn)行S參數(shù)仿真還要在功分器兩側(cè)添加兩個端口,做法是點擊工具欄上的Port按鈕,彈出port設(shè)置窗口,點擊OK關(guān)閉該窗口,在濾波器兩邊要加端口的地方分別點擊加上兩個port。電阻要替換成薄膜電阻,在中選取,否則無法用矩量法進(jìn)行仿真,注意薄膜電阻的寬度要和連接的微帶線一致,不要忘記在substrate中的metallizationlayers中加入薄膜電阻所在的層。版圖的仿真（續(xù)）點擊Momentum->Simulation->S-parameter彈出仿真設(shè)置窗口,該窗口右側(cè)的SweepType選擇Adaptive,起止頻率設(shè)為與原理圖中相同,采樣點數(shù)限制取10(因為仿真很慢,所以點數(shù)不要取得太多)。然后點擊Update按鈕,將設(shè)置填入左側(cè)列表中,點擊Simulate按鈕開始進(jìn)行仿真。仿真過程中會出現(xiàn)一個狀態(tài)窗口顯示仿真進(jìn)程(見下頁圖)。仿真運算要進(jìn)行數(shù)分鐘,仿真結(jié)束后將出現(xiàn)曲線顯示窗口,觀察S參數(shù)曲線,性能有不同程度的惡化。觀察仿真曲線版圖的仿真如果版圖仿真得到的曲線不滿足指標(biāo)要求,那么要重新回到原理圖窗口進(jìn)行優(yōu)化仿真,可以改變優(yōu)化變量的初值,也可根據(jù)曲線與指標(biāo)的差別情況適當(dāng)調(diào)整優(yōu)化目標(biāo)的參數(shù),重新進(jìn)行優(yōu)化。在返回原理圖重新優(yōu)化時,要先使剛才打紅上叉的部件恢復(fù)有效,然后才能進(jìn)行優(yōu)化,之后重復(fù)前面所述的過程,直到版圖仿真的結(jié)果達(dá)到要求為止。（五）電路版圖的繪制仿真完成后要根據(jù)結(jié)果用Protel軟件繪制電路版圖，繪制版圖時要注意以下幾點:所用電路板是普通的雙層板，上層用來繪制電路，下層整個作為接地。在繪制版圖時受加工工藝的限制，尺寸精度到0.01mm即可，線寬和線間縫隙要大于0.2mm?？紤]到加工電路板時的側(cè)向腐蝕問題，微帶線的寬度和長度要適當(dāng)增加。版圖的大小要符合規(guī)定尺寸，功分器的兩個輸出端口的間距要符合規(guī)定值，以便于安裝在測試架上。（六）功分器電路的調(diào)試對照設(shè)計的版圖檢查、測量加工好的電路板上各段微帶線的實際尺寸,并作記錄。將電阻焊到電路板上,并把電路板安裝到測試架上。按下面的測試框圖用網(wǎng)絡(luò)分析儀對功分器的各項指標(biāo)進(jìn)行測試（網(wǎng)絡(luò)分析儀的使用參照儀器說明書）。功分器有三個端口,當(dāng)任意兩個端口接網(wǎng)絡(luò)分析儀時,第三個端口要接匹配負(fù)載。功分器電路的調(diào)試（續(xù)）需要測試的參數(shù)主要有以下幾個S11，S22，S33:輸入、輸出端口的反射系數(shù)S21，S31:正向傳輸系數(shù)，要測幅度及相位S23，S32:兩輸出端口的間隔離度根據(jù)S21，S31的幅度和相位可以得到兩個輸出端口的功分比以及相位平衡度。功分器電路的調(diào)試（續(xù)）觀察網(wǎng)絡(luò)分析儀測量的結(jié)果是否達(dá)到指標(biāo)要求并與前面仿真的結(jié)果做比較。把實際測量的電路尺寸置于ADS軟件中進(jìn)行仿真,把結(jié)果與實際測量結(jié)果相比較。如果測試結(jié)果與設(shè)計要求相差過多,則需對電路進(jìn)行調(diào)整,直至重新進(jìn)行設(shè)計、制版。思考題當(dāng)這種形式的功分器作為功率合成器使用時，如何測試各項指標(biāo)？如果技術(shù)指標(biāo)難以達(dá)到，如何修改電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)？另外還有哪些電路拓?fù)湫问娇梢圆捎?？寬帶功率分配?寬帶等功分兩路功率分配器單節(jié)功率分配器其電壓駐波比在1.2以內(nèi)時,一般帶寬為10％～20％。如果要求更寬的工作帶寬,就要采用多節(jié)變換的功率分配器,其電路圖如圖3－5(a)所示。多節(jié)變換功率分配器的參數(shù)計算比較繁瑣。為了讀者設(shè)計方便,《微波集成電路設(shè)計》的第314頁表5.6-1給出了兩路2節(jié)、3節(jié)、4節(jié)和7節(jié)等功率分配器各界歸一化阻抗值（）和隔離電阻值（）。當(dāng)節(jié)數(shù)無限增多時,