微帶不等分功分器設(shè)計與仿真

1、微帶不等分功分器設(shè)計與仿真一、 摘要功分器全稱功率分配器，英文名Power divider，是一種將一路輸入信號能量分成兩路或多路輸出相等或不相等能量的器件，也可反過來將多路信號能量合成一路輸出，此時可也稱為合路器。一個功分器的輸出端口之間應(yīng)保證一定的隔離度。功分器的主要技術(shù)參數(shù)有功率損耗（包括插入損耗、分配損耗和反射損耗）、各端口的電壓駐波比，功率分配端口間的隔離度、功率容量和頻帶寬度等。二、 設(shè)計目的和意義三、設(shè)計原理功分器全稱功率分配器，是一種將一路輸入信號能量分成兩路或多路輸出相等或不相等能量的器件，也可反過來將多路信號能量合成一路輸出，此時可也稱為合路器。一個功分器的輸出端口之間應(yīng)保

2、證一定的隔離度。功分器的主要技術(shù)參數(shù)有功率損耗（包括插入損耗、分配損耗和反射損耗）、各端口的電壓駐波比，功率分配端口間的隔離度、功率容量和頻帶寬度等。功分器也叫過流分配器,分有源,無源兩種,可平均分配一路信號變?yōu)閹茁份敵?一般每分一路都有幾dB的衰減,信號頻率不同,分配器不同衰減也不同,為了補(bǔ)償衰減,在其中加了放大器后做出了無源功分器 。 功分器的功能是將一路輸入的衛(wèi)星中頻信號均等的分成幾路輸出，通常有二功分、四功分、六功分等等。功分器的工作頻率是950MHz2150MHz，衛(wèi)視燒友想必對功分器是再熟悉不過了。以上三個器件的用途和性能是完全不同的，但在日常使用中往往容易把名稱混淆了，使得人們在

3、使用中容易產(chǎn)生困惑.*接收系統(tǒng)中的多臺衛(wèi)星接收機(jī)，共用一面天線，幾面天線共用一臺衛(wèi)星接收機(jī)，以及兩臺以上衛(wèi)星接收機(jī)和兩面以上天線共用，它們之間的連接除了依靠電纜之外，主要是靠切換器的組合編程來實現(xiàn)的。 功分器是接多個衛(wèi)星接收機(jī)用的.如果一套天線要接多個衛(wèi)星接收機(jī)就要用功分器.根據(jù)所接接收機(jī)的多少選用功分器.如果接兩接收機(jī)就用二功分器.接四接收機(jī)就用四功分器。功率 分配 器可 以采 用定 向耦 合器和 分路 器兩 種 方法 實現(xiàn) 。但 定向 耦 合 器 的 結(jié)構(gòu) 較 復(fù) 雜 , 其 功 率 分 配的 比值 又往 往與 頻 率 有 關(guān) , 無 法 滿 足寬 帶 功 率 分 配的 要求 。因 此 ,

4、 在 寬帶 電路 中 , 往往采 用結(jié) 構(gòu)比 較 簡單 , 實現(xiàn) 較容 易 , 且?guī)?寬又 較寬 的分路 器來 實現(xiàn) 功 率分 配的 功能 。本 次 設(shè) 計 就 是 采用 分 路 器 的 方 法 , 一路 輸入 分為 兩路 輸出 。和其 他 微 帶 電路 元 件 一樣 , 分 路 器 也 有一 定 的 頻率 響應(yīng) 特 性 。 當(dāng) 頻 帶 邊 緣 頻 率 之 比 f 2 / f 1 = 1. 44時 , 輸入駐 波比 < 1. 22, 能 基 本滿 足 輸 出 兩口 隔 離度 > 20 dB 的 指標(biāo) 要 求。 但 當(dāng) = 2 時 , 其各 部 分 的 指標(biāo)開 始下 降 , 隔 離

5、度 只 有 14. 7 dB , 輸 入 駐 波 比 也 達(dá) 到 1. 42. 。為 了 進(jìn) 一 步 加 寬 工 作 帶 寬 , 可 以 用 多 節(jié)的寬 頻帶 分功 率分 配 器 , 即 和 其 他 一 些寬 頻 帶 器 件一樣 , 可以 增加 節(jié) 數(shù) , 即 增 加 # g / 4 線 段 和 相 應(yīng) 的 隔離電 阻 R 的數(shù) 目。分 析 結(jié) 果表 明 , 即 使 節(jié) 數(shù)增 加 不多 , 各 指標(biāo)會 有較 大的 改善 , 工 作頻帶 也有 較大 的展 寬 。例 如 , 當(dāng) n= 2, 即 二 節(jié) 的 二 等 分 分 功 率 器 , 當(dāng)f 2 / f 1 = 2 時 , 駐 波 比 <

6、1. 11, 隔 離 度 > 27 dB 。 當(dāng) n = 4, f 2 / f 1 = 4 時 , 駐 波 比 < 1. 10, 隔 離 度 > 26 dB 。f 2 / f 1 = 10 時 , 駐波 比 < 1. 21, 隔離 度 > 19 dB 。N 節(jié) 寬 頻 帶 二 等 分 功 分 器 的 一 般 形 式 , 如 圖 2 所 示。 因為 是二 等分 , 所以 上、下兩部 分的 電路 參量 相 等 , 因此用 奇、偶模 分析 法很 方便。功分器的技術(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

7、波比等。 1、頻率范圍。這是各種射頻/微波電路的工作前提，功分器的設(shè)計結(jié)構(gòu)與工作頻率密切相關(guān)。必須首先明確分配器的工作頻率，才能進(jìn)行下面的設(shè)計 2、承受功率。在大功分器/合成器中，電路元件所能承受的最大功率是核心指標(biāo)，它決定了采用什么形式的傳輸線才能實現(xiàn)設(shè)計任務(wù)。一般地，傳輸線承受功率由小到大的次序是微帶線、帶狀線、同軸線、空氣帶狀線、空氣同軸線，要根據(jù)設(shè)計任務(wù)來選擇用何種線。 3、分配損耗。主路到支路的分配損耗實質(zhì)上與功分器的功率分配比有關(guān)。如兩等分功分器的分配損耗是3dB，四等分功分器的分配損耗是6dB。理想分配損耗（dB）= 10Log（1 / N） N為功分器路數(shù)4、插入損耗。輸入輸出

8、間的插入損耗是由于傳輸線（如微帶線）的介質(zhì)或?qū)w不理想等因素，考慮輸入端的駐波比所帶來的損耗。 5、隔離度。支路端口間的隔離度是功分器的另一個重要指標(biāo)。如果從每個支路端口輸入功率只能從主路端口輸出，而不應(yīng)該從其他支路輸出，這就要求支路之間有足夠的隔離度。 6、駐波比。每個端口的電壓駐波比越小越好。四、詳細(xì)設(shè)計步驟設(shè)計原理：傳輸線結(jié)構(gòu)的功率分配器如圖 1( a) 所示, 輸入端口特性阻抗為 Z 0 , 兩段分支微帶線電長度為 / 4, 特性阻抗特性阻抗為 Z 0 , 兩段分支微帶線電長度為 / 4, 特性阻抗分別為 Z02 和 Z03 , 終端分別接負(fù)載 R 2 和 R3 。首先做以下 3 條假

9、設(shè):( 1) Port 1 無反射( 2) Port 2, 3 輸出電壓相等且同相;( 3) Port 2, 3 輸出功率比值為任意指定值 1/ k 2 。根據(jù)上面 3 條可得：由傳輸線理論有:設(shè) R 2 = kZ 0 , 則 Z02 , Z03 , R3 的計算公式為:取 k = 1 , 即得到 3 dB Wilkin son 功分器的各參數(shù)值為: R2 = R3 = Z0 , Z02 = Z03 =2 Z0 , 為了增加隔離度在Port 2, 3 之間添加了一個電阻 R = 2Z0 , 其結(jié)構(gòu)如圖 1 ( b)所示。通過上述分析得到 3 dB Wilk inson 功分器的所有元件的參數(shù)值

10、, 接著就可以進(jìn)行設(shè)計了。2、Wi lkinson 功分器的設(shè)計本文使用 A gilen t 公司的 ADS 軟件進(jìn)行功分器的設(shè)計、仿真和優(yōu)化獲得參數(shù)性能較好的尺寸結(jié)構(gòu), 通過 Pro tel 軟件畫出 PCB 圖并制作實驗板用于測試, 最后制作的功分器結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。 圖 1 傳 輸線結(jié)構(gòu)的功分器圖 2 功分器結(jié)構(gòu)(1）、Wilkinson 功分器的指標(biāo)參數(shù)：描述 3 dB Wilk inson 功分器的關(guān)鍵指標(biāo) 有 3 個( 1) Port 1 的回波損耗:RL 1 = - 20log | S11 |( 2) Port 1 和 Port 2 之間的耦合度:CP 12 = - 20log

11、 | S 21 |( 3) Port 2 和 Port 3 之間的隔離度:IL 23 = - 20log | S 23 |由對稱關(guān)系可知, 端口 1, 3 間的耦合度等于端口 1, 2間的耦合度。在理想情況下, 中心頻率處的回波損耗和隔離度應(yīng)該接近負(fù)無窮大, 耦合度應(yīng)該盡量接近 3 dB。本文設(shè)計的 功分器工作在 0. 9 1. 1 GH z 頻 段, 中心 頻率1. 0 GHz, 采用雙面敷銅的 FR-4 介質(zhì)板, 相對介電常數(shù)r= 4. 3 , 厚度 h = 1. 5 mm, 要求通帶內(nèi)各端口反射系數(shù)小于- 20 dB, 端口 2 和端口 3 之間的隔離度小于- 20 dB, 端口 1 和

12、端口 2 之間的耦合度小于 3. 5 dB。(2)、 Wilkinson 功分器的仿真與優(yōu)化根據(jù)文獻(xiàn) 3 中傳輸線特性阻抗計算方法, 可以得到特性阻抗為 Z0 = 50 的傳輸線寬度 W 1 3 mm, Z02 = Z03 =70. 7 的傳輸線寬度 W 2 1. 52 mm, 1/ 4 的 70. 7 傳輸線長度 L 41. 28 mm。得到上面這些初始值后就可以開始進(jìn)行下一步的軟件仿真, 在 ADS 的軟件環(huán)境中選取各種需要的微帶線工具, 根據(jù)上面獲得的數(shù)據(jù)設(shè)置好各個元件的初值。將 1/ 4的傳輸線長度 L 和他的寬度 W 2 設(shè)置為變量, 將 S 11 , S21 , S 23 作為優(yōu)化

13、指標(biāo), 然后不斷進(jìn)行迭代運算和優(yōu)化, 最后得到 W 2 = 1. 8 mm, L = 42. 35 mm , 仿真得到 S 11 , S 21 , S 23 的值分別如圖 3 中的實線所示。 圖3 仿真圖（3）、測試結(jié)果功分器 各 性 能 指 標(biāo) 的 測 量 采 用 Agilent 公 司 的E5071B 網(wǎng)絡(luò)分析儀, 測試時 3 個端口的其中之一接 50匹配負(fù)載, S 11 , S21 , S 23 的測試值與仿真值的比較如圖 3所示, 從測試結(jié)果可見, 中心頻率有很小的偏移, S 21 產(chǎn)生一定誤差, 這是由于實驗采用的雙面敷銅介質(zhì)板本身功率損fr-4耗較大且實際介電常數(shù)有偏差的原因。其余

14、各指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計目標(biāo), 且測試與仿真值整體上吻合較好。五、設(shè)計結(jié)果和分析威爾金森 設(shè)計向?qū)?S參數(shù)： 優(yōu)化后的S參數(shù)：Ads 設(shè)計向?qū)гO(shè)計不等分功分器原理圖：微帶功分器原理圖：設(shè)計微帶功分器的原理圖的S參數(shù)：六、總結(jié)實 際應(yīng) 用中 , 常 需 要 將 某一 輸 出 功 率 按 一 定的 比 例分 配到 各 分 支 電 路 中 , 例 如 : 在 相 控 雷 達(dá) 系 統(tǒng) 中 , 要 將發(fā) 射 機(jī) 功 率 分 配 到 各 個 發(fā) 射 單 元 中 去 ; 在 GSM 通 信系 統(tǒng)中 , 從鎖 相 環(huán) 到接 收 、發(fā) 射 端 , 都 需要 用 到功 率分 配器 ; RF ID 電 路中 , 也 需 要

15、 將特 定 的 功 率 均等 地分 配到 不 同的 端 口 去 ; 在 微 波 毫 米 波 系統(tǒng) 中 廣泛 應(yīng)用 功率 分配 器將 輸入 功率分 配到 各個 支路中 , 功 分器作 為一 種低 耗的 無源 器件 已經(jīng) 必不 可少 。 將 探討 在 射 頻 帶 上 實 現(xiàn) 等 比 功 分 器 的 方 法 , 并 用 ADS 軟件 來實 現(xiàn)微 帶線 形式 功分 器的 設(shè)計 和仿 真。七、體會 對于微帶功率分配器我們常用的是功率等分的功率分配器，有很多軟件對于功率分配器的仿真都是可以的，常用的有ESSOF，ADS，Microwave Office等，由于軟件仿真的結(jié)果是理想化的，所以插入損耗與實際的差別由于電阻接頭等引的誤差是不可避免的，一般情況是由實際材料等決定的。而對于各個端口的回波損耗及隔離度，ESSOF，Microwave Office的仿真結(jié)果很接近，與實驗結(jié)果相比較而言，一般仿真結(jié)果需要達(dá)到28dB實驗出來的才能達(dá)到21dB，但仿真結(jié)果超過28dB后實驗的結(jié)果變化并不大，這可能與電纜、接頭等的回波損耗有關(guān)系的。如果采用的是ADS，由于建模更接近真實，考慮到拐角等，一般情況下回波損耗及隔離度仿真結(jié)果與實驗結(jié)果相差34dB左右，也就是說仿真是24dB而實際只能做到21dB。 以上只是根據(jù)一些實驗情況總結(jié)出來的，而實際設(shè)計過