第九章 功率分配器的設(shè)計與仿真

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1、第九章功率分配器的設(shè)計與仿真【本章重點】功分器的原理及技術(shù)指標集總參數(shù)功分器的設(shè)計及仿真Wilkinson功分器的設(shè)計及仿真第九章功率分配器的設(shè)計與仿真在射頻/微波電路中，為了將功率按一定比例分成兩路或多路，需要使用功率分配器（簡稱功分器）。反過來使用的功率分配器是功率合成器。在近代射頻/微波大功率固態(tài)發(fā)射源的功率放大器中廣泛地使用功分器，而且通常功分器是成對使用，先將功率分成若干份，然后分別放大，再合成輸出。在20世紀40年代，MIT輻射實驗室（RadiationLaboratory）發(fā)明和制造了種類繁多的波導型功分器。它們包括E和H

2、平面波導T型結(jié)、波導魔T和使用同軸探針的各種類型的功分器。在20世紀50年代中期到60年代，又發(fā)明了多種采用帶狀線或微波技術(shù)的功分器。平面型傳輸線應(yīng)用的增加，也導致了新型功分器的開發(fā)，諸如Wilkinson分配器、分支線混合網(wǎng)絡(luò)等。本章分析功分器的設(shè)計方法，并利用ADS2009設(shè)計中心頻率為750MHz的集總參數(shù)比例型功分器和中心頻率為1GHz的集總參數(shù)等分型功分器，進而給出中心頻率為1GHz分布參數(shù)（Wilkinson）功分器的電路和版圖設(shè)計實例。圖9-1功分器意圖9.1功分器的基本原理一分為二功分器是三端口網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖9-1所示。

3、信號輸入端的功率為P1，而其他兩個端口的功率分別為P2和P3。由能量守恒定律可知P1=P2+P3（9-1）如果P2（dBm）=P3(dBm)，三端口功率間的關(guān)系可寫成P2（dBm）=P3(dBm)=P1（dBm）-3dB當然，P2并不一定要等于P3，只是相等的情況在實際電路中最常用。因此，功分器可分為等分型（P2=P3）和比例型（P2=kP3）兩種類型。9.11主要技術(shù)指標功分器的主要技術(shù)指標包括頻率范圍、承受功率、主路到支路的分配損耗、輸入輸出間的插入損耗、支路端口間的隔離帶、每個端口的電壓駐波比等。（1）頻率范圍這是各種射頻/微波電

4、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)。必須首先明確功分器的工作頻率，才能進行下面的設(shè)計。（2）承受功率在功分器/合成器中，電路元件所能承受的最大功率是核心指標，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)來選擇用何種傳輸線。（3）分配損耗主路到支路的分配損耗實質(zhì)上與功分器的主路分配比Ad有關(guān)。其定義為（9-2）式中例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。（4）插入損耗輸入輸出間的插入損耗是由于傳輸

5、線（如微帶線）的介質(zhì)或?qū)w不理想等因素產(chǎn)生的?？紤]輸入端的駐波比所帶來的損耗，插入損耗Ai定義為（9-3）A是在其他支路端口接匹配負載，主路到某一支路間的傳輸損耗，其為實測值。A在理想狀態(tài)下為Ad。在功分器的實際工作中，幾乎都是用A作為研究對象。（5）隔離帶支路端口間的隔離帶是功分器的另一個重要指標。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，這就是求支路之間有足夠的隔離度。在主路和其他支路都接匹配負載的情況下，i口和j口的隔離度定義（9-4）隔離度的測量也可按照這個定義進行。（6）駐波比每個端口的電壓駐波比越

6、小越好。9.2集總參數(shù)功分器設(shè)計及仿真9.2.1等分型功分器根據(jù)電路使用元件的不同，功分器可分為電阻式和L-C式兩種類型。1.電阻式電阻式電路僅利用電阻設(shè)計，按結(jié)構(gòu)分成Δ形和Y形，圖9-2所示。(a)Δ形(b)Y形圖9-2電阻式功分器圖9-2中Z0是電路特性阻抗，在高頻電路中，不同頻段的特性阻抗不同。這種電路的優(yōu)點是頻寬大，布線面積小，設(shè)計簡單；缺點是功率衰減較大（6dB）。如圖9-2（b）所示，設(shè)Z0=50Ω，則2.L-C式這種電路利用電感及電容進行設(shè)計。按結(jié)構(gòu)分成低通型和高通型兩種類型，如圖9-3所示，下面分別給出其參數(shù)的計算公式。

7、(a)低通型(b)高通型圖9-3L-C式集總參數(shù)功分器（1）低通型（9-5）（2）高通型（9-6）集總參數(shù)功分器的設(shè)計過程是先確定電路結(jié)構(gòu)，再計算出各個電感，電容或電阻的值，最后，按照確定的電路結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。9.2.2等分型功分器設(shè)計實例設(shè)計工作頻率f0=1GHz的功分器，特性阻抗為Z0=50功率比例為k=0.5，且要求在10.02GHz的范圍內(nèi)S11-14dB，S21-4dB，S31-4dB。1.電路結(jié)構(gòu)的選擇及參數(shù)計算選擇高通型L-C式電路結(jié)構(gòu)如圖9-3（b）所示。按照式（9-6）計算得。2.ADS設(shè)計與仿真（1）創(chuàng)建新項目啟動AD

8、S2009選擇Mainwindows菜單欄【File】→【NewProject】，按照提示選擇項目保存的路徑和輸入文件名點擊按鈕創(chuàng)建新項目點擊，新建電路原理圖窗口，開始設(shè)計功分器（2）功分器電路設(shè)計在“Lu