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T型功分器的设计与仿真

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软件简介

 T型功分器的设计与仿真
1.改进型威尔金森功分器的工作原理
功率分配器属于无源微波器件,它的作用是将一个输入信号分成两个(或多
个)较小功率的信号,工程上常用的功分器有T型结和威尔金森功分器。
威尔金森功分器是最常用的一种功率分配器。图1所示的为标准的二路威尔
金森等功率分配器。从合路端口输入的射频信号被分成幅度和相位都相等的两路
信号,分别经过传输线Bl和BZ,到达隔离电阻两端,然后从两个分路端口输出,
离电阻R两端的信号幅度和相位都相等,R上不存在差模信号,所以它不会消耗
功率,如果我们不考虑传输线的损耗,则每路分路端口将输出二分之一功率的信
号。

图1威尔金森功分器
但是这种经典威尔金森等功率分配器有几个缺点:
1、大功率应用的时候,要求隔离电阻的耗散功率大因此电阻的体积也会比较大
2、如果功分器应用于较高的频段,波长就会与大功率电阻的尺寸相比拟,这样就需要考虑电阻的分布参数。
3、为了提高功分器性能,就要尽量减小Bl和BZ这两段传输线之间的藕合,因此在实际设计时,要求四分之一波长传输线Bl、BZ之间的距离较大,在低频应用时,由于四分之一波长较长,占用面积还是太大了,此外,四分之一波长传输线Bl、BZ的阻抗较高,因此线宽较细,制板的相对误差更大[24]。为克服这些缺点,本文采用了一种改进型的威尔金森等功率分配器,如图2所示

图2 改进型威尔金森功分器
可以看到,它仅由四段传输线组成,没有隔离电阻。传输线A、Cl、CZ的特
征阻抗均为Z0。传输线B位于A和Cl、CZ之间,它的电长度为四分之一波长,
特征阻抗为Z0/。从合路端输入的信号,通过传输线B,被分成幅度和相位相等的的两路信号,分别经过传输线Cl和C2到达分路端口一和二,在整个结构中,传输线B起到了阻抗变换的作用。从传输线A、B相接处向左看,输入阻抗为Z0。从传输线B与C1、C2相接处向右看,输入阻抗为Z0/2。利用四分之一阻抗变换器的原理我们知道,传输线的特征阻抗为,即Z0/。因此,整个电路处于功率分配与合成时,在中心频点处,三个端口都能匹配良好,没有反射。这种改进型的结构克服了标准威尔金森功分器的一系列缺点,同时由于省略了隔离电阻,所以成本降低,也不存在电阻分布参数的问题,与传统威尔金森功分器相比,减少了一段四分之一波长传输线,另外,构成变换器的四分之一波长传输线B的特征阻抗较低,线宽较宽,能有效降低制板误差。
2功分器的设计与仿真
通过前面的分析,我们知道改进型威尔金森功分器四段传输线特征阻抗之间
的比例关系。由此可得,传输线A、C1和C2的特征阻抗均为50,而传输线B的特征阻抗为
为了实现右旋圆极化,经过C2输出的信号要比经过Cl的相位超前,即Cl要比C2长 (为中心频率所对应的介质波长)。设计的功率分配器如图3所示,传输线段B的长度约为,起阻抗变换的作用。传输线段Cl、C2的3、4分段长度相等,而C1的1、2分段长度之和为,这样就使得Cl比C2长,同时,传输线弯角处采用形式,以减小拐角处不连续所引起的反射和幅射。

图3威尔金森功分器设计图
采用介电常数为4.4,厚度为lrn们n的FR4板材来制作功分器。我们利用TXLine软件来计算各段传输线线的宽度。TXLine是一款专门用于计算传输线参数的软件,简单实用。运行界面如图4所示,选择微带线模式(MicrostriP),中心频率为1.593GHz、介电常数4.4、介质基片厚度1mm、阻抗值先后输入50和35、铜箔厚度0.017mm等参数,就可以计算出微带线的初始宽度。经过计算,特性阻抗为35和50微带线的初始宽度分别为:3.3mm和1.9rnrn。计算出传输线的宽度后,我们对馈电功分网络进行布局,根据需要对局部传输线的长度进行小范围调整。

图4TXLine计算微带线宽度
下面我们使用ADs电磁仿真软件对馈电网络功分器进行仿真优化。利用上节设计所得到的初始尺寸,建立如图4所示的功分器原理图,利用ADS中OPTIM
控件的优化功能,经过数次优化,最终得到的仿真结果如图5所示:

图4 功分器ADS原理图

图5功分器ADS原理图仿真结果
从图5(a)中可以看出,dB(s(3,l))和dB(s(2,l))在通带范围内基本都保持在-3dB,即两个输出端口的信号功率都近似为输入信号的一半,dB(s(1,1)在通带范围内均在-30dB以下,输入端匹配良好;图5(b)为两输出端的相位差,从中可以看出,在通带范围内相位差基本保持在左右,满足设计要求。版图的仿真是采用矩量法直接对电磁场进行计算,它的仿真结果要比原理图更加精确一些,由原理图生成的版图如图6所示:

图6功分器ADS版图

图7功分器ADS版图仿真结果
从图7中可以看出版图的仿真结果与原理图的相差不大,图7(b)所显示
的两输出端口相位差与原理图相比稍微变差,为,可以接受。综上,版图
的仿真结果基本满足了指标要求,如果结果不理想的话,我们可以重新回到原理
图中进行再次优化调整,直到满足要求为止。

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