第九章功率分配器的设计与仿真.ppt
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1、1,第九章功率分配器的设计与仿真,【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,2,第九章 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(Radiation Laboratory)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
2、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。,3,图9-1 功分器意图,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
3、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。,9.11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。 (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。 (
4、2)承受功率,4,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,(9-2) 式中,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,(9-3) A是在其他支路端口接匹配
5、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,5,(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
6、计,按结构分成形和Y形,图9-2所示。,(a) 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=50,则,6,2. 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。,(a) 低通型 (b) 高通型 图9-3 L-C式集总参数功分器,7,(1)低通型,(9-5) (2)高通型,(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
7、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,。,8,2.ADS设计与仿真 (1)创建新项目 启动ADS2009 选择Main windows 菜单栏【File】【New Project】,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
8、,(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,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
9、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。,10,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。,其他形式的比例型功分器参数可用类似的方法进行计算。,11,9.2.4 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,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(
10、a)所示,代入参数计算得,,,2. ADS设计与仿真 (1)创建新项目 启动ADS2009 选择Main windows 菜单栏【File】【New Project】,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
11、9-6所示,12,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,13,图9-7仿真曲线,9.3 Wilkinson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
12、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。,14,(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
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