微帶不等分功分器設(shè)計(jì)與仿真

1、微帶不等分功分器設(shè)計(jì)與仿真一、 摘要功分器全稱(chēng)功率分配器，英文名Power divider，是一種將一路輸入信號(hào)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(guò)來(lái)將多路信號(hào)能量合成一路輸出，此時(shí)可也稱(chēng)為合路器。一個(gè)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(jì)目的和意義三、設(shè)計(jì)原理功分器全稱(chēng)功率分配器，是一種將一路輸入信號(hào)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(guò)來(lái)將多路信號(hào)能量合成一路輸出，此時(shí)可也稱(chēng)為合路器。一個(gè)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(guò)流分配器,分有源,無(wú)源兩種,可平均分配一路信號(hào)變?yōu)閹茁份敵?一般每分一路都有幾dB的衰減,信號(hào)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(wú)源功分器 。 功分器的功能是將一路輸入的衛(wèi)星中頻信號(hào)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(duì)功分器是再熟悉不過(guò)了。以上三個(gè)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(chēng)混淆了，使得人們?cè)?/p>

3、使用中容易產(chǎn)生困惑.*接收系統(tǒng)中的多臺(tái)衛(wèi)星接收機(jī)，共用一面天線(xiàn)，幾面天線(xiàn)共用一臺(tái)衛(wèi)星接收機(jī)，以及兩臺(tái)以上衛(wèi)星接收機(jī)和兩面以上天線(xiàn)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(lái)實(shí)現(xiàn)的。 功分器是接多個(gè)衛(wèi)星接收機(jī)用的.如果一套天線(xiàn)要接多個(gè)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(shí)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(wú) 法 滿(mǎn) 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(jiǎn)單 , 實(shí)現(xiàn) 較容 易 , 且?guī)?寬又 較寬 的分路 器來(lái) 實(shí)現(xiàn) 功 率分 配的 功能 。本 次 設(shè) 計(jì) 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(shí) , 輸入駐 波比 < 1. 22, 能 基 本滿(mǎn) 足 輸 出 兩口 隔 離度 > 20 dB 的 指標(biāo) 要 求。 但 當(dāng) = 2 時(shí) , 其各 部 分 的 指標(biāo)開(kāi) 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(xiàn) 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(huì) 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(shí) , 駐 波 比 <

6、1. 11, 隔 離 度 > 27 dB 。 當(dāng) n = 4, f 2 / f 1 = 4 時(shí) , 駐 波 比 < 1. 10, 隔 離 度 > 26 dB 。f 2 / f 1 = 10 時(shí) , 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?yàn)?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(gè)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(jì)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(jì) 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(xiàn)才能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)任務(wù)。一般地，傳輸線(xiàn)承受功率由小到大的次序是微帶線(xiàn)、帶狀線(xiàn)、同軸線(xiàn)、空氣帶狀線(xiàn)、空氣同軸線(xiàn)，要根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)來(lái)選擇用何種線(xiàn)。 3、分配損耗。主路到支路的分配損耗實(shí)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(xiàn)（如微帶線(xiàn)）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(lái)的損耗。 5、隔離度。支路端口間的隔離度是功分器的另一個(gè)重要指標(biāo)。如果從每個(gè)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(gè)端口的電壓駐波比越小越好。四、詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟設(shè)計(jì)原理：傳輸線(xiàn)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(xiàn)電長(zhǎng)度為 / 4, 特性阻抗特性阻抗為 Z 0 , 兩段分支微帶線(xiàn)電長(zhǎng)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(wú)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(xiàn)理論有:設(shè) R 2 = kZ 0 , 則 Z02 , Z03 , R3 的計(jì)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(gè)電阻 R = 2Z0 , 其結(jié)構(gòu)如圖 1 ( b)所示。通過(guò)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(jì)了。2、Wi lkinson 功分器的設(shè)計(jì)本文使用 A gilen t 公司的 ADS 軟件進(jìn)行功分器的設(shè)計(jì)、仿真和優(yōu)化獲得參數(shù)性能較好的尺寸結(jié)構(gòu), 通過(guò) Pro tel 軟件畫(huà)出 PCB 圖并制作實(shí)驗(yàn)板用于測(cè)試, 最后制作的功分器結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。 圖 1 傳 輸線(xiàn)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(gè)( 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(duì)稱(chēng)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(wú)窮大, 耦合度應(yīng)該盡量接近 3 dB。本文設(shè)計(jì)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(duì)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(xiàn)特性阻抗計(jì)算方法, 可以得到特性阻抗為 Z0 = 50 的傳輸線(xiàn)寬度 W 1 3 mm, Z02 = Z03 =70. 7 的傳輸線(xiàn)寬度 W 2 1. 52 mm, 1/ 4 的 70. 7 傳輸線(xiàn)長(zhǎng)度 L 41. 28 mm。得到上面這些初始值后就可以開(kāi)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(xiàn)工具, 根據(jù)上面獲得的數(shù)據(jù)設(shè)置好各個(gè)元件的初值。將 1/ 4的傳輸線(xiàn)長(zhǎng)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(yùn)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(shí)線(xiàn)所示。 圖3 仿真圖（3）、測(cè)試結(jié)果功分器 各 性 能 指 標(biāo) 的 測(cè) 量 采 用 Agilent 公 司 的E5071B 網(wǎng)絡(luò)分析儀, 測(cè)試時(shí) 3 個(gè)端口的其中之一接 50匹配負(fù)載, S 11 , S21 , S 23 的測(cè)試值與仿真值的比較如圖 3所示, 從測(cè)試結(jié)果可見(jiàn), 中心頻率有很小的偏移, S 21 產(chǎn)生一定誤差, 這是由于實(shí)驗(yàn)采用的雙面敷銅介質(zhì)板本身功率損fr-4耗較大且實(shí)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(jì)目標(biāo), 且測(cè)試與仿真值整體上吻合較好。五、設(shè)計(jì)結(jié)果和分析威爾金森 設(shè)計(jì)向?qū)?S參數(shù)： 優(yōu)化后的S參數(shù)：Ads 設(shè)計(jì)向?qū)гO(shè)計(jì)不等分功分器原理圖：微帶功分器原理圖：設(shè)計(jì)微帶功分器的原理圖的S參數(shù)：六、總結(jié)實(shí) 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(gè) 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(gè) 支路中 , 功 分器作 為一 種低 耗的 無(wú)源 器件 已經(jīng) 必不 可少 。 將 探討 在 射 頻 帶 上 實(shí) 現(xiàn) 等 比 功 分 器 的 方 法 , 并 用 ADS 軟件 來(lái)實(shí) 現(xiàn)微 帶線(xiàn) 形式 功分 器的 設(shè)計(jì) 和仿 真。七、體會(huì) 對(duì)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(duì)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(shí)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(shí)際材料等決定的。而對(duì)于各個(gè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較而言，一般仿真結(jié)果需要達(dá)到28dB實(shí)驗(yàn)出來(lái)的才能達(dá)到21dB，但仿真結(jié)果超過(guò)28dB后實(shí)驗(yàn)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(shí)，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(shí)驗(yàn)結(jié)果相差34dB左右，也就是說(shuō)仿真是24dB而實(shí)際只能做到21dB。 以上只是根據(jù)一些實(shí)驗(yàn)情況總結(jié)出來(lái)的，而實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)