Wilkinson功分器设计与仿真

课题任务和技术指标课题任务：通过对功分器的学习，利用ADS仿真软件，设计一个威尔金森功分器，并仿真得到其各端口的S参数。等分威尔金森功分器设计主要技术指标：•工作频率：2.5GHz•频带内输入端口的回波损耗：C1120dB•频带内的插入损耗：C213.1dB,C313.1dB•两个输出端口间的隔离度：C2325dB课题研究难点、重点及其关键是什么？功分器设计的难点功分器微带电路的设计以及隔离电阻的选择。功分器设计的重点功分器原理图的仿真及优化功分器设计的关键是电路参数的优化，以及版图的仿真。目录：选题背景功分器的工作原理和技术指标功分器原理图的设计与优化功分器的版图生成与仿真一选题背景：1.什么是功分器功率分配器是将输入信号功率分成相等或不相等的几路输出的一种多端口的微波网络，广泛应用于雷达、多路中继通信机等大功率器件等微波射频电路中。功率分配器又可以逆向使用作为功率合成器，因此有时又称为功率分配/合成器。2.功分器的重要性随着无线通信技术的快速发展，各种通讯系统的载波频率不断提高，小型化低功耗的高频电子器件及电路设计使微带技术发挥了优势。单波传输使得系统的增益达不到实际的要求，从而必须实现多波传输，也就是将功率进行分配，即产生了功率分配器，简称功分器。本文设计仿真的是最简单最经典的威尔金森功分器，在射频电路和测量系统中，如混频器、功率放大器电路中中的功率分配与耦合元件的性能将影响整个系统的通信质量，而微带功分器在实践应用中显得更为突出。3.Wilkinson功分器的优点Wilkionson具有一些独特的优点如下：功分器可以用作合成器,合成器也可以用作功分器，功率容量较低，可以均分输出设计或者不均分输出分设计，不可以传输DC，隔离度高。它的这些优点使它具有相当高的研究价值以上几点就是本次选题的意义所在二功分器的工作原理和技术指标1.基本工作原理功率分配器是三端口电路结构，其信号输入端的输入功率为P1，而其它两个输出端的输出功率分别为P2及P3。理论上，由能量守恒定律可知：P1=P2+P3。若P2P3并以毫瓦分贝（dbm）来表示三端口之间的关系，则可以写成：P2=P3=P1-3（dbm）。功分器各个端口特性如下:•（1）端口1无反射•（2）端口2和端口3输出电压相等且同相•（3）端口2、端口3输出功率比值为任意指定值1/由这些条件可以确定Z02,Z03及R2,R3的值。由于端口“2”,“3”的输出功率和输入电压的关系为:P2=，P3=因为有：又因为：U2=U3若取：R2=KZ0则R3=Z0/k由条件端口1无反射,即要求由Zin2与Zin3并联而成的总输入阻抗等于Z0。由于在中心频率处则，均为纯电阻，所以：2k22221Ru32321Ru232PPK323222222RUKRU322RKR2023RZZin00302111ZZZ2/3033RZZin如以输入电阻表示功率比，则：联立可解得：由于和等幅、同相，故在端口“2”，“3”间跨接一电阻R并不影响功分器的性能。但当“2”，“3”两端口外接负载不等于，时，来自负载的反射功率便分别由“2”,“3”两端口输入，此时该三端口网络变为—功率合成器。为使“2”,“3”端口彼此隔离，须在期间加一吸收电阻R起隔离作用。隔离电阻的值为:隔离电阻R通常用镍镉合金或电阻粉等材料制成的薄膜电阻。当k=1时,上面的结果化为功率等分情况。还可以看出,输出线是阻抗和匹配的,而不与阻抗匹配。22022320323231kZRRZZZPPinin20021kkZZ320031kkZZ2R3RkkZR1002kZRRZR030Z2.功分器的技术指标1.输入端口的回波损耗输入端口1的回波损耗根据输入端口1的反射功率和输入功率之比来计算:2.插入损耗输入端口的插入损耗根据输出端口的输出功率与输入端口1的输入功率之比来计算：3.输出端口间的隔离度输出端口2和输出端口3间的隔离度根据输出端口2的输出功率和输出端口3的输出功率之比来计算：11112010SLogPPLogCir212212010SLogPPLogCi313312010SLogPPLogCi312132232010SSLogPPLogC4.功分比当其他端口无反射时，功分比根据输出端口3的输出功率与输出端口2的输出功率之比来计算：5.相位平滑度在做功率合成应用时，功分器输出端口的相位平滑度直接影响功率合成的效率。3P2P232PPK三功分器原理图的设计与仿真1.等分威尔金森功分器的设计指标等分威尔金森功分器的设计指标:•工作频率：2.5GHz•频带内输入端口的回波损耗：C1120dB•频带内的插入损耗：C213.1dB,C313.1dB•两个输出端口间的隔离度：C2325dB2.建立工程与设计原理图建立工程：这部分主要是对ADS软件的运用。设计原理图：大致分为五个小的部分，输入端口，两个匹配分支和两个输出端口。a)所用电路元件为“TLines-Microstrip”元件库中的：：：一般微带线：弧形微带线：微带T型结:微带基片:薄膜电阻b)在微带线器件面板中选择MLIN与MTEE插入原理图中，并用导线连接起来，构成功率分配器的输入端口。双击MLIN、，在弹出的参数设置窗口中设置MLIN的W=w1mm、L=5mm。用同样的方法设置MTEE的W1=2mm，W2=w2mm和W3=w1mm。完成参数设置设计出来的输入端口电路，输入端口的电路连接如图1所示。图1：输入端口连接图c.同理，选用元件库中的元件，搭建其余的两个两个支路和两个输出端口并设置参数，完成如图2,3,4,5所示图2：功率分配器的一路分支线图3：功分器的另一支路线路图4：功率分配器的一个输出端口图5：功率分配器的另一个输出端口d)把输入端口电路，阻抗变换电路和输出端口电路用导线连接在一起，就构成了一个完整的微带型威尔金森功分器，如图6所示。图6：完整的功率分配器的电路图3.基本参数设置由于微带线是由金属覆盖在介质材料表面构成，不同的金属材料和介质材料的电气特性会导致同样尺寸的微带线特性阻抗不同，因此需要对微带线的相关参数进行设置。微带线的参数的设置步骤如下。在微带面板中选择微带线参数设置控件“MSUB”（微带基板）插入原理图中。双击原理图中的“MUSB”控件，然后再弹出的对话框中设置参数，具体参数如下：a)H=0.8mm，表示微带线介质基片厚度为0.8mm。b)Er=4.3mm，表示微带线介质基片的相对介电常数为4.3。c)Mur=1，表示微带线介质基片的相对磁导率为1。d)Cond=5.88E+7，表示微带线金属片得电导率5.88E+7。e)Hu=1.0e+033mm，表示微带电路的封装高度为1.0e+033mm。f)T=0.03mm，表示微带线金属片得厚度为0.33mm。g)TanD=1e-4，表示微带线的损耗角正切为1e-4。h)Roungh=0mm，表示微带线的表面粗糙度为0mm。完成设置的MSUB控件如图7所示：图7：完成设置的Msub控件除了介质材料和金属材料的特性参数的设置。还需要设置图6中每段微带线的尺寸参数，在设置前需要对它们的尺寸参数进行计算。由功率分配器的理论知识分析可以知道，输入端口传输线的特性阻抗应该为50Ω，可以计算出来两支路传输线的特性阻抗应为70.7Ω。特性阻抗为50Ω传输线的线宽和特性阻抗为70.7、电长度为传输线的线宽和线长度都可以通过传输线计算工具“LineCalc”计算通过“LineCalc”计算的结果是:输入口微带线宽度1.520840mm，匹配段的线宽为0.788532mm，线长为17.130700mm（约为四分之一波长）。然后通过ADS软件中的“VAR”控件将参数应用到功率分配器的各段传输线中去。分别为W1=1.520840mm，W2=0.788532mm，LH=6.5(此处不设单位，在设置微带线时另行设定)。完成“VAR”参数的设定后,依次双击原理图中功分器的各段微带线,并设置微带线的宽度W与长度L,单位为mm。具体的变量设置如图8所示。4/图8：完整的微带型威尔金森功分器的电路原理图4.功分器原理图仿真完成原理图的设计后，就可以对功率分配器的原理图进行仿真，根据设计指标的要求。主要对它的电路S参数进行仿真和分析，原理图的仿真步骤如下：在原理图设计窗口中选择S参数仿真软件面板“Simulation-S_Param”，选择S参数扫描控件插入原理图中，双击原理图中的控件“SP”对其参数进行设置，选择扫描类型“SweepType”为线性“Linear”，根据功分器的指标设置扫描的频率范围和步长“Start”为2GHz,“Stop”为3GHz，“Step-size”为0.01GHz。选择元件“Term”放置在功分器3个端口上，用来定义端口1、2和3，然后单击工具栏的图标，放置3个“地”与“Term”相连，完整的电路图如图9所示。图9：用于S参数仿真的电路图完成所有的连接和仿真参数设置后,就可以对电路进行S参数进行仿真。分别将S（11）、S(21)、S(31)、S(23)、S（32）添加到数据显示窗口，最终的S参数如图10所示。图10：参数仿真结果图•采取理论计算的结果作为功分器的参数时，各个指标可能不是最理想的，所以还需要对其进行优化。5.功分器的电路参数的优化为了实现输入匹配，输入端口传输线的特性阻抗必须为50Ω因此必须使w1=1.520840以达到输入阻抗的匹配。这里主要通过改变w2和LH这两个变量的值，优化系统的各个指标，以实现阻抗匹配。为了达到改变w2和lh这两个变量值得目的，首先需要在VAR控件中设定这两个变量的范围。将LH的优化范围设置为5-20，W2的优化范围设置为0.7-0.9.设置完成优化参数w2和LH后，还需要选择优化方式和优化目标。这里总共设置了4个优化目标，所以需要一个“optim”控件和4个Goal控件，分别优化S(1,1)、S(2,2)、S(2,1)和S(2,3)。因为电路的对称性，S(3,1)和S(3,3)不用设置优化，S(1,1)和S(2,2)分别用来设定输入输出端口的反射系数，S(2,1)用来设定功分器通带内的衰减情况，S(2,3)用来设定两个输出端口的隔离度。并对优化控件进行参数设置。加入优化控件后的完整电路图如图11所示。图11:加入优化元件后的功分器原理图优化完成后，下面观察优化后的仿真曲线。必须关掉优化控件，才能观察仿真的曲线。最终仿真结果同样如图12所示图11：优化后的S参数仿真结果图四功分器的版图生成与仿真1.功分器版图的生成关掉优化控件“Optim”和4个“Goal”元件。在进行版图生成时，他们就不会出现在所生成的版图中。然后进行版图生成，生成的版图如图12所示图12：由原理图生成的功分器版图2.功分器版图的仿真生成功分器的版图后，为观察功分器的性能，需要在版图里再次进行S参数的仿真。参数设置与前面S参数仿真类似。本次功分器版图的仿真结果如图13所示。可以看出能满足设计指标的要求。图13：版图仿真后的S参数仿真结果谢谢