第9章功率分配器的设计与仿真

第9章 功率分配器的设计与仿真 章在射频/微波电路中， 为了将功率按一定比例分成两路或多路， 需要使用功率分配器 （简 称功分器）。

反过来使用的功率分配器是功率合成器。

在近代射频/微波大功率固态发射源 的功率放大器中广泛地使用功分器，而且通常功分器是成对使用，先将功率分成若干份， 然后分别放大，再合成输出。

在20世纪40年代，MIT辐射实验室（Radiation Laboratory）发明和制造了种类繁多的 波导型功分器。

它们包括E和H平面波导T型结、波导魔T和使用同轴探针的各种类型的功 分器。

在20世纪50年代中期到60年代，又发明了多种采用带状线或微波技术的功分器。

平 面型传输线应用的增加，也导致了新型功分器的开发，诸如Wilkinson分配器、分支线混合 网络等。

本章分析功分器的设计方法，并利用ADS2009设计中心频率为750MHz的集总参数比 例型功分器和中心频率为1GHz的集总参数等分型功分器，进而给出中心频率为1GHz分布 参数（Wilkinson）功分器的电路和版图设计实例。

【本章重点】 • 功分器的原理及技术指标 • 集总参数功分器的设计及仿真 • Wilkinson 功分器的设计及仿真9.1 功分器的基本原理一分为二功分器是三端口网络结构，如图 9-1 所示。

信号输入端的功率为 P1，而其他 两个端口的功率分别为 P2 和 P3。

由能量守恒定律 2 可知 1 功分器 P2 P 1= P 2+ P 3 （9-1） 3 P1 如果 P2（dBm）=P3(dBm)，三端口功率间的 P3 关系可写成 图 9-1 功分器示意图 P2（dBm）=P3(dBm)= P1（dBm）-3dB 当然，P2 并不一定要等于 P3，只是相等的情 况在实际电路中最常用。

因此，功分器可分为等分型（P2=P3）和比例型（P2=kP3）两种类 型。

9.1.1 主要技术指标功分器的主要技术指标包括频率范围、承受功率、主路到支路的分配损耗、输入输出 间的插入损耗、支路端口间的隔离带、每个端口的电压驻波比等。

1第9章功率分配器的设计与仿真（1）频率范围 这是各种射频/微波电路的工作前提，功分器的设计结构与工作频率密切相关。

必须首 先明确功分器的工作频率，才能进行下面的设计。

（2）承受功率 在功分器/合成器中， 电路元件所能承受的最大功率是核心指标， 它决定了采用什么形 式的传输线才能实现设计任务。

一般地，传输线承受功率由小到大的次序是微带线、带状 线、同轴线、空气带状线、空气同轴线，要根据设计任务来选择用何种传输线。

（3）分配损耗 主路到支路的分配损耗实质上与功分器的主路分配比 Ad 有关。

其定义为Ad = 10 lgPin Pout（9-2）式中 Pin = kPout 。

例如两等分功分器的分配损耗是 3dB，四等分功分器的分配损耗是 6dB。

（4）插入损耗 输入输出间的插入损耗是由于传输线 （如微带线） 的介质或导体不理想等因素产生的。

考虑输入端的驻波比所带来的损耗，插入损耗 Ai 定义为Ai = A − Ad（9-3）A 是在其他支路端口接匹配负载，主路到某一支路间的传输损耗，其为实测值。

A 在 理想状态下为 Ad。

在功分器的实际工作中，几乎都是用 A 作为研究对象。

（5）隔离带 支路端口间的隔离带是功分器的另一个重要指标。

如果从每个支路端口输入功率只能 从主路端口输出，而不应该从其他支路输出，这就是求支路之间有足够的隔离度。

在主路 和其他支路都接匹配负载的情况下，i 口和 j 口的隔离度定义Aij = 10 lg隔离度的测量也可按照这个定义进行。

（6）驻波比 每个端口的电压驻波比越小越好。

Pini Poutj（9-4）9.2 集总参数功分器设计及仿真9.2.1 等分型功分器根据电路使用元件的不同，功分器可分为电阻式和 L-C 式两种类型。

1. 电阻式电阻式电路仅利用电阻设计，按结构分成Δ形和 Y 形，图 9-2 所示。

29.2 集总参数功分器设计及仿真(a) Δ形(b) Y 形 图 9-2 电阻式功分器图 9-2 中 Z0 是电路特性阻抗，在高频电路中，不同频段的特性阻抗不同。

这种电路的 优点是频宽大，布线面积小，设计简单；缺点是功率衰减较大（6dB） 。

如图 9-2（b）所示， 设 Z0=50 ，则U0 =14 2 U1 = U1 23 3 3 U2 = U3 = U0 4 1 U 2 = U1 2 U 20 lg 2 = −6dB U12. L-C 式这种电路利用电感及电容进行设计。

按结构分成低通型和高通型两种类型，如图 9-3 所示，下面分别给出其参数的计算公式。

(a) 低通型(b) 高通型图 9-3 L-C 式集总参数功分器（1）低通型Z0   2ω 0  1  CP =  ω0 Z 0  ω 0 = 2πf 0    LS =（2）高通型（9-5）3第9章功率分配器的设计与仿真 ω0   2   Cs =  ω0 Z 0  ω 0 = 2πf 0     LP = Z0（9-6）集总参数功分器的设计过程是先确定电路结构， 再计算出各个电感， 电容或电阻的值， 最后，按照确定的电路结构进行设计。

9.2.2 等分型功分器设计实例在 1 ± 0.02GHz 的范围内 S11 ≤ -14dB，S21 ≥ -4dB，S31 ≥ -4dB。

设计工作频率 f0=1GHz 的功分器，特性阻抗为 Z0=50 Ω ，功率比例为 k=0.5，且要求1.电路结构的选择及参数计算选择高通型 L-C 式电路结构如图 9-3（b）所示。

按照式（9-6）计算得 L p = 7.96nH ，C s = 4.5 pF 。

2.ADS 设计与仿真（1）创建新项目• 启动 ADS2009 • 选择 Main windows ，按照提示选择项目保存的路径和输入文件名 • 菜单栏【File】→【New Project】 • 点击 • 点击 按钮创建新项目 ，新建电路原理图窗口，开始设计功分器 、 、 ，在“Simulation-S_Param” ，修改属性，要求扫描频率从（2）功分器电路设计• 在“Lumped-Components”类中，分别选择控件 类中，分别选择控件 • 在工具栏中单击 、 按钮，放置各端口接地，双击 ，放置到原理图中合适位置。

0.9GHz 到 1.1GHz，扫描步长为 0.01GHz。

功分器仿真电路原理图如图 9-4 所示。

49.2 集总参数功分器设计及仿真Term Term1 Num=1 Z=50 OhmC L C1 L3 C=4.5 pF L=7.96 nH R=Term L Term2 L2 Num=2 L=7.96 nH Z=50 Ohm R=S-PARAMETERSS_Param SP1 Start=0.9 GHz Stop=1.1 GHz Step=0.01 GHz C C2 R C=4.5 pF R1 R=50 Ohm Term Term3 Num=3 Z=50 Ohm图 9-4 功分器仿真电路原理图（3）功分器电路仿真• 点击工具栏中 参数，点击 图 9-5 所示。

0 -2按钮进行仿真，仿真结束后会出现数据显示窗口 按钮，弹出设置窗口，在窗口左侧的列表里选择 S(1,1)即 S11 按钮后， 按钮，弹出设置单位(这里选择 dB) 窗口，点击两次• 点击显示窗口左侧工具栏中窗口中显示出 S11 参数随频率变化的曲线。

用同样的方法依次加入 S31，S21，得到波形图如m2-4m1 m1 freq=1.000GHz dB(S(3,1))=-3.062 m3 freq= 1.000GHz dB(S(1,1))=-13.626 m3dB(S(3,1)) dB(S(2,1)) dB(S(1,1))-6 -8 -10 -12 -14 -16 0.90m2 freq= 980.0MHz dB(S(2,1))=-3.9790.920.940.960.981.001.021.041.061.081.10freq, GHz图 9-5 功分器仿真曲线9.2.3 比例型功分器比例型功分器的两个输出端口功率不相等。

假定一个支路端口与主路端口的功率比为 k，可按照下面公式计算低通式 L-C 式集总参数比例功分器。

5第9章功率分配器的设计与仿真P3 = kP1 P2 = (1 − k ) P1 ZS  Z  0   = 1− k  2 2 ZS   Z  =k   P ZS = Z0 1− k（9-7）LS =Zsω01− k kZP = Z0CP =1 ω0 Z P其他形式的比例型功分器参数可用类似的方法进行计算。

9.2.4 比例型功分器设计实例设计工作频率 f0=750MHz 的功分器，特性阻抗为 Z0=50 Ω ，功率比例为 k=0.1，且要 求在 750 ± 50MHz 的范围内 S11 ≤ -10dB，S21 ≥ -2dB，S31 ≥ -12dB。

1. 电路结构选择及参数计算选择低 通型 L-C 式 电路结构 如 9-3 （a）所示 ，代入参 数计算得 Ls = 10nH ，C p = 1.4 pF 。

2. ADS 设计与仿真（1）创建新项目• 启动 ADS2009 • 选择 Main windows ，按照提示选择项目保存的路径和输入文件名 • 菜单栏【File】→【New Project】 • 点击 • 点击 按钮创建新项目 ，新建电路原理图窗口，开始设计功分器 、 、 ，在“Simulation-S_Param”（2）功分器电路设计• 在“Lumped-Components”类中，分别选择控件 类中，分别选择控件 • 点击 、 图标，放置两个地，双击 ，放置到原理图中合适位置 ，修改属性，要求扫描频率从 0.6GHz 到 0.8GHz扫描步长设为 0.01GHz，功分器仿真电路原理图如图 9-6 所示 69.3Wilkinson 功分器设计及仿真Term Term1 Num=1 Z=50 OhmC C1 C=1.4 pFL L1 L=10 nH R=C C2 C=1.4 pFTerm Term2 Num=2 Z=50 OhmS-PARAMETERSS_Param SP1 Start=0.6 GHz Stop=0.8 GHz Step=0.01 GHz L L2 L=10 nH R= Term Term3 Num=3 Z=50 OhmR R1 R=50 Ohm图 9-6 功分器电路图原理图（3）功分器电路仿真• 点击工具栏中 按钮进行仿真，仿真结束后会出现数据显示窗口 按钮，弹出设置窗口，在窗口左侧的列表里选择 S(1,1) 按 按钮弹出单位(这里选择 dB) 设置窗口，点击两次 • 点击数据显示窗口左侧工具栏中的 即 S11 参数，点击钮后，窗口中显示出 S11 参数随频率变化的曲线。