Wilkinson功分器设计与仿真

图12：由原理图生成的功分器版图
2. 功分器版图的仿真
生成功分器的版图后，为观察功分器的性能，需要在版图里再 次进行S 参数的仿真。参数设置与前面S参数仿真类似。本次功分器 版图的仿真结果如图13所示。可以看出能满足设计指标的要求。
2.功分器的技术指标
1.输入端口的回波损耗 输入端口1 的回波损耗根据输入端口1 的反射功率和输入功率之 P 比来计算: C 10Log P 20Log S 2.插入损耗 输入端口的插入损耗根据输出端口的输出功率与输入端口1 的输 入功率之比来计算：
r i 11 11
以上几点就是本次选题的意义所在
二 功分器的工作原理和技术指标
1.基本工作原理
功率分配器是三端口电路结构，其信号输入端的输入功率为P1， 而其它两个输出端的输出功率分别为P2及P3。理论上，由能量守恒 定律可知：P1=P2+P3。若P2P3并以毫瓦分贝（dbm）来表示三端口 之间的关系，则可以写成：P2=P3=P1-3（dbm）。
a) H=0.8 mm，表示微带线介质基片厚度为0.8mm。 b) Er=4.3 mm，表示微带线介质基片的相对介电常 数为4.3。 c) Mur=1，表示微带线介质基片的相对磁导率为1。 d) Cond=5.88E+7，表示微带线金属片得电导率 5.88E+7。 e) Hu=1.0e+033mm，表示微带电路的封装高度为 1.0e+033mm。 f) T=0.03mm，表示微带线金属片得厚度为0.33mm。 g) TanD=1e-4，表示微带线的损耗角正切为1e-4。 h) Roungh=0mm，表示微带线的表面粗糙度为0mm。 完成设置的MSUB控件如图7所示：
2.建立工程与设计原理图
建立工程：这部分主要是对ADS软件的运用。 设计原理图：大致分为五个小的部分，输入端口，两个匹配分支和 两个输出端口。
a) 所用电路元件为“TLines-Microstrip”元件库中的：
： ：一般微带线 ：弧形微带线 ：微带T型结
: 微带基片
: 薄膜电阻
b) 在微带线器件面板中选择MLIN与MTEE插入原理图中，并用导线连接 起来，构成功率分配器的输入端口。双击MLIN、，在弹出的参数设 置窗口中设置MLIN的W=w1mm、L=5mm。用同样的方法设置MTEE的 W1=2mm，W2=w2mm和W3=w1mm。完成参数设置设计出来的输入端口电 路，输入端口的电路连接如图1 所示。
5. 功分器的电路参数的优化
为了实现输入匹配，输入端口传输线的特性阻抗必须为50Ω 因此必 须使w1=1.520840以达到输入阻抗的匹配。这里主要通过改变w2 和 LH这两个变量的值，优化系统的各个指标，以实现阻抗匹配。为了 达到改变w2 和lh 这两个变量值得目的，首先需要在VAR 控件中设 定这两个变量的范围。将LH的优化范围设置为5-20，W2的优化范围 设置为0.7-0.9. 设置完成优化参数w2 和LH后，还需要选择优化方式和优化目标。这 里总共设置了4 个优化目标，所以需要一个“optim”控件和4 个 Goal 控件，分别优化S(1,1)、S(2,2)、S(2,1)和S(2,3)。因为电路 的对称性，S(3,1)和S(3,3)不用设置优化，S(1,1)和S(2,2)分别用 来设定输入输出端口的反射系数，S(2,1)用来设定功分器通带内的 衰减情况，S(2,3)用来设定两个输出端口的隔离度。并对优化控件 进行参数设置。加入优化控件后的完整电路图如图11所示。
4.功分比 当其他端口无反射时，功分比根据输出端口3 的输出功率 P3 与输 出端口2的输出功率 P2之比来计算：K P
2 3
P2
5.相位平滑度 在做功率合成应用时，功分器输出端口的相位平滑度直接影响功 率合成的效率。
三 功分器原理图的设计与仿真
1. 等分威尔金森功分器的设计指标
等分威尔金森功分器的设计指标: • 工作频率：2.5GHz • 频带内输入端口的回波损耗：C11>20dB • 频带内的插入损耗：C21<3.1dB,C31<3.1dB • 两个输出端口间的隔离度：C23>25dB
图6：完整的功率分配器的电质材料表面构成，不同的金属材料和介质材 料的电气特性会导致同样尺寸的微带线特性阻抗不同，因此需要对微带线 的相关参数进行设置。微带线的参数的设置步骤如下。 在微带面板中选择微带线参数设置控件“MSUB”（微带基板）插 入原理图中。双击原理图中的“MUSB”控件，然后再弹出的对话框中设置 参数，具体参数如下：
图11:加入优化元件后的功分器原理图
优化完成后，下面观察优化后的仿真曲线。必须关掉优化控件，才 能观察仿真的曲线。最终仿真结果同样如图12所示
图11：优化后的S 参数仿真结果图
四 功分器的版图生成与仿真
1. 功分器版图的生成
关掉优化控件“Optim”和4 个“Goal”元件。在进行版图生 成时，他们就不会出现在所生成的版图中。然后进行版图生成， 生成的版图如图12所示
图1：输入端口连接图
c. 同理，选用元件库中的元件，搭建其余的两个两个支路和两个输出端 口并设置参数，完成如图2,3,4,5所示
图2： 功率分配器的一路分支线
图3：功分器的另一支路线路
图4：功率分配器的一个输出端口
图5：功率分配器的另一个输出端口
d) 把输入端口电路，阻抗变换电路和输出端口电路用导线连接在一起， 就构成了一个完整的微带型威尔金森功分器，如图6所示。
由于和等幅、同相，故在端口“2”，“3”间跨接一电阻R 并不影响功分器的性能。但当“2”，“3”两端口外接负载不等 R2 R3 于 ， 时，来自负载的反射功率便分别由“2”,“3”两端口输 入，此时该三端口网络变为—功率合成器。为使“2”,“3”端口 彼此隔离，须在期间加一吸收电阻R 起隔离作用。 1 隔离电阻的值为: R Z 0 k 隔离电阻R 通常用镍镉合金或电 k 阻粉等材料制成的薄膜电阻。当k= 1时,上面的结果化为功率等 分情况。还可以看出,输出线是阻抗R2 kZ0 和 R3 Z 0 匹配的,而不与 R 阻抗 Z 0 匹配。
• • •
功分器各个端口特性如下: （1）端口1 无反射 （2）端口2 和端口3 输出电压相等且同相 （3）端口2、端口3 输出功率比值为任意指定值1/ k 2 由这些条件可以确定Z02,Z03及R2,R3的值。由于端口“2”, 1u u “3”的输出功率和输入电压的关系为:P2=， 1 P3= 2R 2R P U U K 因为有：K P 2R 2R 又因为：U2 = U3 R2 K 2 R3 若取： R2 = KZ0 则 R3 =Z0/k 由条件端口1 无反射,即要求由Zin2与Zin3并联而成的总输入阻抗 Z 等于Z0。由于在中心频率处 / 2 则 Zin3 R02 ， Z Z 均为纯电阻， R 1 1 1 2 所以： Z Z Z
2 2
2 3
2
3 2
2 2
2
2 3
2
3
2
3
03 3
in3
02
03
0
P 如以输入电阻表示功率比，则： P 联立可解得：Z 02 Z 0 k 1 k 2 Z Z 1 k
2 03 0
3 2

2 Z in3 Z 03 R2 1 2 2 Z in2 R3 Z 02 k
k3
图7：完成设置的Msub控件
除了介质材料和金属材料的特性参数的设置。还需要设置图6中每段 微带线的尺寸参数，在设置前需要对它们的尺寸参数进行计算。由功 率分配器的理论知识分析可以知道，输入端口传输线的特性阻抗应该 为50Ω ，可以计算出来两支路传输线的特性阻抗应为70.7Ω 。特性阻 抗为50Ω 传输线的线宽和特性阻抗为70.7、电长度为传输线的线宽和 线长度都可以通过传输线计算工具“LineCalc”计算 通过“LineCalc”计算的结果是:输入口微带线宽度1.520840mm， / 4 匹配段的线宽为0.788532mm，线长为17.130700mm（约为四分之一 波长）。然后通过ADS软件中的“VAR”控件将参数应用到功率分配器 的各段传输线中去。分别为W1=1.520840mm，W2=0.788532mm， LH=6.5(此处不设单位，在设置微带线时另行设定)。 完成“VAR”参数的设定后,依次双击原理图中功分器的各段微带 线,并设置微带线的宽度W 与长度L,单位为mm。具体的变量设置如图8 所示。
一选题背景：
1. 什么是功分器
功率分配器是将输入信号功率分成相等或不相等的几路输出 的一种多端口的微波网络，广泛应用于雷达、多路中继通信机等 大功率器件等微波射频电路中。功率分配器又可以逆向使用作为 功率合成器，因此有时又称为功率分配/合成器。
2. 功分器的重要性 随着无线通信技术的快速发展，各种通讯系统的载波频率不 断提高，小型化低功耗的高频电子器件及电路设计使微带技术发 挥了优势。单波传输使得系统的增益达不到实际的要求，从而必 须实现多波传输，也就是将功率进行分配，即产生了功率分 配 器，简称功分器。本文设计仿真的是最简单最经典的威尔金森功 分器，在射频电路和测量系统中，如混频器、功率放大器电路中
中的功率分配与耦合元件的性能将影响整个系统的通信质量，而 微带功分器在实践应用中显得更为突出。
3.Wilkinson功分器的优点
Wilkionson具有一些独特的优点如下：功分器可以用作合 成器,合成器也可以用作功分器，功率容量较低，可以均分输出设 计或者不均分输出分设计，不可以传输DC，隔离度高。它的这些 优点使它具有相当高的研究价值
课题任务和技术指标
课题任务：
通过对功分器的学习，利用ADS仿真软件，设计一 个威尔金森功分器，并仿真得到其各端口的S参数。
等分威尔金森功分器设计主要技术指标：
• • • • 工作频率：2.5GHz 频带内输入端口的回波损耗：C11>20dB 频带内的插入损耗：C21<3.1dB,C31<3.1dB 两个输出端口间的隔离度：C23>25dB