功分器設計報告.doc

Wilkinson功率分配器設計報告姓名：陶偉 班級：電科09-1班學號：2220092322一、 引言功率分配器是將輸人功率分成相等或不相等的幾路功率輸出的一種多端口微波網絡。在微波系統(tǒng)中, 需要將發(fā)射功率按一定的比例分配到各發(fā)射單元, 如相控陣雷達等, 因此功分器在微波系統(tǒng)中有著廣泛的應用。它的性能好壞直接影響到整個系統(tǒng)能量的分配、合成效率。功率分配器有多種形式，其中最常用的是四分之一波長（p/4）功率分配器，這種功率分配器稱為威爾金森（Wilkinson）功率分配器。威爾金森功率分配器由三端口網絡構成，其功率分配可以是相等的，也可以是不相等的。在這里，我介紹的是等功率分配的微帶線Wilkinson功率分配器。二、功分器的基本工作原理 圖1圖1是微帶三端口功率分配器的原理結構，其中Z0是它的輸入端口特性阻抗，Z02和Z03是它的分支微帶線的特性阻抗，R2和R3是它的終端負載。對于等功分威爾金森功分器來說，圖1的原理結構可以等效為如下圖2結構，而且有 R2=R3=Z0； Z02=Z03=Z0*1.414； R=2*Z0；分配率器是將輸人功率分成相等或不相等的幾路功率輸出的一種多端口微波網絡川。在微波系統(tǒng)中, 需要將發(fā)射功率按一定的比例分配到各發(fā)射單元, 如相控陣雷達等, 因此功分器在微波系統(tǒng)中有著廣泛的應用。它的性能好壞直接影響到整個系統(tǒng)能量的分配、合成效率。寬頻帶、小型化、低功耗器件一直以來是 圖2關于這一點，我沒有詳述，大家可以參考由欒秀珍、房少軍、金紅和邰佑城老師編著的微波技術這本書，書中對這闡述的非常詳細。三、功分器的基本指標(1)頻率范圍頻率范圍是各種射頻和微波電路工作的前提，功率分配器的設計結構和尺寸大小與工作頻率密切相關，必須首先明確功率分配器的工作頻率，才能進行具體的設計工作。尤其是需要指明中心頻率及其頻帶寬度。(2)輸入端口1的回波損耗用RL1表示的端口1的回波損耗為：（dB）(3)輸入輸出間的傳輸損耗定義為輸出端口2的輸出功率P2和輸入端口1的輸入功率P1之比，記為IL：（dB）(4)輸出端口間的隔離度端口3和端口2互為隔離端口，在理想情況下，隔離端口間應沒有相互輸出的功率，但由于設計及制作精度的限制，使隔離端口間尚有一些功率輸出。端口3到端口2的隔離度定義為：（dB）四、設計指標l 3dB Wilkinson功率分配器。l 中心頻率1.5GHz。l 工作頻帶內輸入端口的回波損耗：，這里的是指RL1。l 工作頻帶內的傳輸損耗：。l 兩個輸出端口間的隔離度S23(dB) -20dB。l 微帶線基板的厚度為3mm，基板的相對介電常數為2.65。l 各端口特性阻抗采用50。五、原理圖設計1.原理圖繪制 圖3、原理圖(1) 新建工程文件，點擊Length Unit設置長度單位為毫米（mm）并創(chuàng)建工程。(2) 在原理圖設計窗口中選擇微帶線器件面板列表，在微帶線器件面板中選擇MLIN與MTEE插入原理圖中，并用導線工具連接起來，構成功率分配器的輸入端口。雙擊MLIN，在彈出的參數設置窗口中設置MLIN的W=W50mm、L=5mm。用同樣的辦法設置MTEE的W1=W70mm、W2=W70mm和W3=W50mm。(3) 從微帶線器件面板中分別選擇4個MLIN、2個MSOBND_MDS和1個MTEE，插入到原理圖中，并用導線連接成功率分配器的一路分支線，用同樣的器件構成功率分配器的另外一路分支線，由于功率分配器結構的對稱性，兩路分支線中各段微帶線的尺寸參數相同。(4) 把輸入端口與兩路分支線連接起來，并在兩路分支線之間插入隔離電阻R，R的參數為R=100。(5) 分別用3個TLIN和2個MSOBND_MDS以及連接導線構成功率分配器的輸出端口2。用同樣的器件構成與之對稱的另一個輸出端口3，由于功分器結構的對稱性，兩輸出端口的各段微帶線尺寸參數相同。(6)至此，功率分配器的所有部分連接完成。2.微帶線參數設置 由于微帶線是由金屬覆蓋在介質材料表面構成，不同的金屬材料和介質材料的電氣特性會導致同樣尺寸的微帶線特性阻抗不同，因此需要對微帶線的相關參數進行設置。微帶線參數的設置過程如下：(1) 在微帶線器件面板中找到微帶線參數設置控件MSUB，將其插入到電路原理圖中。雙擊微帶線參數設置控件，彈出參數設置窗口，按照以下內容進行設置：l H=3mm，表示微帶線基板的厚度為3mm。l Er=2.65，表示微帶線基板的相對節(jié)點常數為2.65。l Mur=1，表示微帶線的相對磁導率為1。l Cond=1.0e+50，表示微帶線導體的電導率為1.0e+50。l Hu=1.0e+033mm，表示微帶線的封裝厚度為1.0e+0.33mm。l T=0.005mm，表示微帶線的導體層厚度為0.005mm。l TanD=0.0003，表示微帶線的損耗角正切為0.0003。l Rough=0mm，表示微帶線的表面粗糙為0mm。(2) 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“LineCalc”得到：在中心頻率為1.5GHz時特性阻抗為50的微帶線的線寬8.19965mm；特性阻抗為70.7的微帶線的線寬為4.6081mm，四分之一波長長度為34.2840mm。(3) 在原理圖中插入“VAR”控件，將W50，W70，L70a，L70b和L70c添加為變量，并按照前面的計算結果將它們的值設置W50=8.19965mm，W70=4.6081mm，L70a=11.7mm，L70b=9.50105mm，L70c=4.2mm。(4)至此，微帶線參數設置完成。六、原理圖仿真 原理圖設計完成后，接下來進行原理圖仿真，根據設計的指標要求，主要是對它的S參數進行仿真和分析。步驟如下：(1) 在原理圖設計窗口中選擇S參數仿真元件面板“Simulation-S_Param”，選擇“Term”放置在功率分配器3個端口上，用來定義端口1、2和3。單擊工具欄中的GROUD圖標，放置3個“地”，連接好電路原理圖。(2) 選擇S參數掃描控件“SP”，放置在原理圖中。設置掃描類型（Sweep Type）為線性（Linear），并設置掃描的頻率范圍為1GHz2GHz，步長選擇為0.001GHz。(3) 單擊工具欄中的Simulate按鈕進行仿真。仿真完畢后系統(tǒng)彈出數據顯示窗口，在數據顯示窗口中添加S(1,1)、S(2,1)、S(2,3)的矩形圖，可以得到原理圖仿真結果。(4)從自己設計的整個過程看來，原理圖的仿真結果極大可能是滿足不了各項指標要求的。甚至沒有一項指標是符合的，因此必須對相關參數進行優(yōu)化。七、原理圖優(yōu)化步驟如下： (1) 在VAR控件的“Variables&Equations”窗口中選擇L70b，單擊Tune/Opt/Stat/DOE setup按鈕，彈出“Setup”窗口，選擇Optimization選項卡，在“Optimization status”中選擇“Enabled”、“Type”中選擇“continuous”、“Format”中選擇“min/max”、“Minimum Value”和“Maximum Value”分別設置為9.5和30，就完成了對L70b的設置。 (2) 用同樣的辦法設置W50、W70的比較小的優(yōu)化范圍。 (3)完成上述的范圍設定后，還需要選擇優(yōu)化方式和優(yōu)化目標。步驟如下： (4) 在原理圖設計窗口中選擇優(yōu)化工具欄，將優(yōu)化控件“Optim”和目標控件“Goal”插入到原理圖中，由于需要3個優(yōu)化目標S(1,1)、S(2,2)、S(2,1)、S(2,3)，因此需要添加4個目標控件。S(1,1)和S(2,2)分別用來分析輸入輸出端口的反射系數，S(2,1)用來分析功率分配器通帶內的衰減情況，S(2,3)用來分析兩個輸出端口的隔離度。 (5) 設置優(yōu)化方法為隨機(Random)或者梯度(Gradient)等，隨機法通常用于大范圍搜索，梯度法則用于局部收斂。在“Optimization Type”下拉表中選擇“Random” ，在“Random”文本框中修改為50。(6) 接著設置4個目標控件的參數，設置完之后如圖4所示。 圖4、優(yōu)化設置(7) 完成相關參數設置之后，單擊工具欄中的Simulate按鈕進行優(yōu)化仿真。優(yōu)化過程中系統(tǒng)會自動打開一個狀態(tài)窗口顯示優(yōu)化結果，其中的“CurrentEF”表示與優(yōu)化目標的偏差，當它的值減小到0的時候表示達到了優(yōu)化目標。優(yōu)化結束后數據顯示窗口會自動打開。由于選擇的優(yōu)化方法是隨機(Random)，因此每次優(yōu)化的結果都會有所不同甚至相去甚遠，所以要不斷改變參數的值，多次進行優(yōu)化，直至得到跟所需要的優(yōu)化結果最接近的數據為止，就如圖5所示。(8)當優(yōu)化后各項參數都符合設計要求，再點擊原理圖窗口菜單中的SimulateUpdate Optimization Values命令保存優(yōu)化后的變量值。這樣就完成了原理圖的設計、仿真和優(yōu)化，并達到了設計的指標的要求。但是在實際應用中還是會發(fā)現仿真結果與實際設計的電路指標有很大差別，因此必須在原理圖設計與電路制作中對版圖進行仿真，以進一步保證結果符合設計要求。圖5、原理圖的優(yōu)化曲線八、版圖設計及仿真(1)在生成版圖之前，必須先將原理圖中的負載終端Term和“接地”以及優(yōu)化控件去掉。去掉的方法是單擊原理圖工具欄中的【Deactive or Active Component】按鈕，然后單擊負載終端Term、 “接地”，OPTIM和四個GOAL。因為原理圖上的隔離電阻是集中元件，不能夠出現在版圖上，所以也必須將電阻R去掉。(2)選擇原理圖divider上的【Layout】菜單【Generate/Update Layout】，彈出【Generate/Update Layout】設置窗口，單擊窗口上的【OK】按鈕，默認它的設置。這時又會彈出【Status of Layout Generation】版圖生成狀態(tài)窗口，單擊【OK】按鈕，完成版圖的生成過程。對比原理圖和版圖可以發(fā)現，原理圖中構成分支定向耦合器電路的各種微帶線元件模型，在版圖中已經轉化為實際微帶線。(3)選擇版圖工具欄上的端口Port，插入版圖，輸入端口設置為端口1，輸出端口設置為端口2和端口3，隔離電阻處的兩端口設置為端口4和端口5。(4)為了使版圖的仿真結果有效，必須使版圖中微帶線的基本參數與原理圖中的微帶線的基本參數一致，具體設置方法如下：選擇版圖視窗中的【Momentum】菜單【Substrate】【Update From Schematic】命令，從原理圖視窗得到微帶線的基本參數。再選擇版圖視窗中的【Momentum】菜單【Substrate】【Create/Modify】命令，打開【Create/Modify Substrate】窗口，此時，你可以看到微帶線的基本參數與與原理圖中的微帶線的基本參數是一致的了。(5)由于隔離電阻被去掉了，所以需要將版圖再導回到原理圖仿真，方法如下，選擇版圖視窗中的【Momentum】菜單【Component】【Create/Update】命令，彈出設置元件庫的對話框，在“Model Type”中選擇Momentum RF，在Lowest Frequency填上1GHz，Highest Frequency填上2GHz，其他保持默認，單擊【OK】完成創(chuàng)建新的元件庫的設置，這樣功分器被當做一個元器件添加到元件庫里了。(6)在ADS主視窗中新建原理圖并保存為divider_JC，單擊菜單中的元件庫圖標，打開元件庫，如圖2.17所示，單擊左側Projects，會在右側窗口顯示項目divider的所有原理圖，右鍵單擊divider，會出現Place Component，單擊它，然后打開剛新建的原理圖divider_JC，在其畫圖區(qū)放上剛選擇的功分器元件(7)在新建的原理圖divider_JC中，在隔離電阻安放位置連接一個阻值為100的集總電阻，并在輸入輸出端口連接終端負載Term，然后插入仿真控件SP，對S參數仿真控件SP設置如下。 頻率掃描類型Sweep Type選為Linear。頻率掃描起始值Start設為1GHz。頻率掃描終止值Stop設為2GHz。 頻率掃描步長Step-size設為0.001GHz。（8） 接下來就可以進行版圖仿真了，單擊仿真【Simulate】圖標，運行仿真，仿真結束后，數據顯示視窗自動彈出，用矩形圖查看S11、S21、S23參數曲線，如圖6所示。從圖6中可以看出，各曲線均達到技術指標。 圖6、版圖仿真曲線9、 設計過程的體會(1) 在整個的原理圖優(yōu)化中，我其實做了非常多的次數。一開始優(yōu)化的時候，我想的比較簡單，只考慮了一兩個參數，結果曲線總是很不如意。后來，我對多個參數同時設定范圍，包括對W50、W70的小范圍限制，對L70a、L70、bL70c大范圍的設定，進行優(yōu)化。這樣進行優(yōu)化，我才得出了比較好的曲線圖(2) 在設計過程中，我單純地用了Mcurve弧形微帶線，而沒有考慮到它的半徑和它本身寬度的要求。在生成版圖的時候，因為它的寬度大于本身的半徑，這使得形狀非常的奇怪。(3) 在設計過程中，一開始自己并不知道TL2、Tee1和TL3構成的傳輸線的長度與TL6、Tee2、TL14、Tee3、TL15和TL7構成的傳輸線的長度之間有什么聯(lián)系，只是單純地去做優(yōu)化，優(yōu)化完之后，再去做版圖仿真，這時會導致由原理圖生成的版圖畸形。經過思考，再去查閱資料后，才明白版圖的形狀與兩者的長度有很大的關聯(lián)。在這里設TL14和TL15的L=Ld，設Lx為放置電阻R所需要的長度，那么它們之間有如下的關系： L70a=L70c+W50/2+Ld+LxL70c在4mm6mm，Ld在2 mm3mm，Lx在1mm2mm就可以了，至于L70b一般在7mm15mm之間，這是自己多次做版圖仿真積累的一些體會。事實上，這些數據，是自己在做非常多的版圖仿真一點一點摸索出來的，我查閱過相關的資料，大家也沒有把道理講清楚。(4)不得不說整個設計的過程，頗為曲折。好多次，自己明明把原理圖優(yōu)化的很完美，但是在做版圖仿真的時候，結果總是不盡人意。總是會出現S(1,1)的中心頻率與S(2,3)的中心頻率相差很大，并且版圖仿真與原理圖仿真差距也很大。后來，我仔細看了學長給我們展示的原理圖，與自己的原理圖做了下對比。發(fā)現在2端口輸出電路與3端口輸出電路之間，也就是在微帶T型結Tee2與微帶T型結Tee3之間，加上兩個一般微帶線TL（原理圖上是TL14、TL15），這樣之后再去做版圖仿真的時候，我意外地發(fā)現