功分器设计报告(共10页).doc
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1、精选优质文档-倾情为你奉上Wilkinson功率分配器设计报告姓名:陶伟 班级:电科09-1班学号:一、 引言功率分配器是将输人功率分成相等或不相等的几路功率输出的一种多端口微波网络。在微波系统中, 需要将发射功率按一定的比例分配到各发射单元, 如相控阵雷达等, 因此功分器在微波系统中有着广泛的应用。它的性能好坏直接影响到整个系统能量的分配、合成效率。功率分配器有多种形式,其中最常用的是四分之一波长(p/4)功率分配器,这种功率分配器称为威尔金森(Wilkinson)功率分配器。威尔金森功率分配器由三端口网络构成,其功率分配可以是相等的,也可以是不相等的。在这里,我介绍的是等功率分配的微带线W
2、ilkinson功率分配器。二、功分器的基本工作原理 图1图1是微带三端口功率分配器的原理结构,其中Z0是它的输入端口特性阻抗,Z02和Z03是它的分支微带线的特性阻抗,R2和R3是它的终端负载。对于等功分威尔金森功分器来说,图1的原理结构可以等效为如下图2结构,而且有 R2=R3=Z0; Z02=Z03=Z0*1.414; R=2*Z0;分配率器是将输人功率分成相等或不相等的几路功率输出的一种多端口微波网络川。在微波系统中, 需要将发射功率按一定的比例分配到各发射单元, 如相控阵雷达等, 因此功分器在微波系统中有着广泛的应用。它的性能好坏直接影响到整个系统能量的分配、合成效率。宽频带、小型化
3、、低功耗器件一直以来是 图2关于这一点,我没有详述,大家可以参考由栾秀珍、房少军、金红和邰佑城老师编著的微波技术这本书,书中对这阐述的非常详细。三、功分器的基本指标(1)频率范围频率范围是各种射频和微波电路工作的前提,功率分配器的设计结构和尺寸大小与工作频率密切相关,必须首先明确功率分配器的工作频率,才能进行具体的设计工作。尤其是需要指明中心频率及其频带宽度。(2)输入端口1的回波损耗用RL1表示的端口1的回波损耗为:(dB)(3)输入输出间的传输损耗定义为输出端口2的输出功率P2和输入端口1的输入功率P1之比,记为IL:(dB)(4)输出端口间的隔离度端口3和端口2互为隔离端口,在理想情况下
4、,隔离端口间应没有相互输出的功率,但由于设计及制作精度的限制,使隔离端口间尚有一些功率输出。端口3到端口2的隔离度定义为:(dB)四、设计指标l 3dB Wilkinson功率分配器。l 中心频率1.5GHz。l 工作频带内输入端口的回波损耗:,这里的是指RL1。l 工作频带内的传输损耗:。l 两个输出端口间的隔离度S23(dB) -20dB。l 微带线基板的厚度为3mm,基板的相对介电常数为2.65。l 各端口特性阻抗采用50。五、原理图设计1.原理图绘制 图3、原理图(1) 新建工程文件,点击Length Unit设置长度单位为毫米(mm)并创建工程。(2) 在原理图设计窗口中选择微带线器
5、件面板列表,在微带线器件面板中选择MLIN与MTEE插入原理图中,并用导线工具连接起来,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=W50mm、L=5mm。用同样的办法设置MTEE的W1=W70mm、W2=W70mm和W3=W50mm。(3) 从微带线器件面板中分别选择4个MLIN、2个MSOBND_MDS和1个MTEE,插入到原理图中,并用导线连接成功率分配器的一路分支线,用同样的器件构成功率分配器的另外一路分支线,由于功率分配器结构的对称性,两路分支线中各段微带线的尺寸参数相同。(4) 把输入端口与两路分支线连接起来,并在两路分支线之间插入隔离电阻R,R
6、的参数为R=100。(5) 分别用3个TLIN和2个MSOBND_MDS以及连接导线构成功率分配器的输出端口2。用同样的器件构成与之对称的另一个输出端口3,由于功分器结构的对称性,两输出端口的各段微带线尺寸参数相同。(6)至此,功率分配器的所有部分连接完成。2.微带线参数设置 由于微带线是由金属覆盖在介质材料表面构成,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。微带线参数的设置过程如下:(1) 在微带线器件面板中找到微带线参数设置控件MSUB,将其插入到电路原理图中。双击微带线参数设置控件,弹出参数设置窗口,按照以下内容进行设置:l
7、 H=3mm,表示微带线基板的厚度为3mm。l Er=2.65,表示微带线基板的相对节点常数为2.65。l Mur=1,表示微带线的相对磁导率为1。l Cond=1.0e+50,表示微带线导体的电导率为1.0e+50。l Hu=1.0e+033mm,表示微带线的封装厚度为1.0e+0.33mm。l T=0.005mm,表示微带线的导体层厚度为0.005mm。l TanD=0.0003,表示微带线的损耗角正切为0.0003。l Rough=0mm,表示微带线的表面粗糙为0mm。(2) 功分器两边的引出线是特性阻抗为50欧姆的微带线,它的宽度W可由微带线计算工具“LineCalc”得到:在中心频率
8、为1.5GHz时特性阻抗为50的微带线的线宽8.19965mm;特性阻抗为70.7的微带线的线宽为4.6081mm,四分之一波长长度为34.2840mm。(3) 在原理图中插入“VAR”控件,将W50,W70,L70a,L70b和L70c添加为变量,并按照前面的计算结果将它们的值设置W50=8.19965mm,W70=4.6081mm,L70a=11.7mm,L70b=9.50105mm,L70c=4.2mm。(4)至此,微带线参数设置完成。六、原理图仿真 原理图设计完成后,接下来进行原理图仿真,根据设计的指标要求,主要是对它的S参数进行仿真和分析。步骤如下:(1) 在原理图设计窗口中选择S参
9、数仿真元件面板“Simulation-S_Param”,选择“Term”放置在功率分配器3个端口上,用来定义端口1、2和3。单击工具栏中的GROUD图标,放置3个“地”,连接好电路原理图。(2) 选择S参数扫描控件“SP”,放置在原理图中。设置扫描类型(Sweep Type)为线性(Linear),并设置扫描的频率范围为1GHz2GHz,步长选择为0.001GHz。(3) 单击工具栏中的Simulate按钮进行仿真。仿真完毕后系统弹出数据显示窗口,在数据显示窗口中添加S(1,1)、S(2,1)、S(2,3)的矩形图,可以得到原理图仿真结果。(4)从自己设计的整个过程看来,原理图的仿真结果极大可
10、能是满足不了各项指标要求的。甚至没有一项指标是符合的,因此必须对相关参数进行优化。七、原理图优化步骤如下: (1) 在VAR控件的“Variables&Equations”窗口中选择L70b,单击Tune/Opt/Stat/DOE setup按钮,弹出“Setup”窗口,选择Optimization选项卡,在“Optimization status”中选择“Enabled”、“Type”中选择“continuous”、“Format”中选择“min/max”、“Minimum Value”和“Maximum Value”分别设置为9.5和30,就完成了对L70b的设置。 (2) 用同样的办法设
11、置W50、W70的比较小的优化范围。 (3)完成上述的范围设定后,还需要选择优化方式和优化目标。步骤如下: (4) 在原理图设计窗口中选择优化工具栏,将优化控件“Optim”和目标控件“Goal”插入到原理图中,由于需要3个优化目标S(1,1)、S(2,2)、S(2,1)、S(2,3),因此需要添加4个目标控件。S(1,1)和S(2,2)分别用来分析输入输出端口的反射系数,S(2,1)用来分析功率分配器通带内的衰减情况,S(2,3)用来分析两个输出端口的隔离度。 (5) 设置优化方法为随机(Random)或者梯度(Gradient)等,随机法通常用于大范围搜索,梯度法则用于局部收敛。在“Opt
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