基于ADS的1∶4 Wilkinson正交功率分配器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

萬建崗，陳　鵬，葛代河，鄧　靜

(1.空軍預(yù)警學(xué)院，湖北 武漢 430019；

2.中國(guó)人民解放軍94878部隊(duì)，安徽 蕪湖 241000)

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基于ADS的1∶4 Wilkinson正交功率分配器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

萬建崗1，陳鵬1，葛代河2，鄧靜1

(1.空軍預(yù)警學(xué)院，湖北 武漢 430019；

2.中國(guó)人民解放軍94878部隊(duì)，安徽 蕪湖 241000)

摘要設(shè)計(jì)了一個(gè)S波段1∶4Wilkinson正交功率分配器。該功率分配器由3個(gè)1∶2 Wilkinson功率分配器二級(jí)級(jí)聯(lián)構(gòu)成，加入λ/4微帶傳輸線，形成正交網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)對(duì)功率分配器進(jìn)行了增益均衡設(shè)計(jì)，應(yīng)用微波仿真軟件ADS對(duì)電路進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，給出了S參數(shù)仿真結(jié)果、電路版圖及實(shí)物圖，測(cè)試結(jié)果表明，在2.7～2.9 GHz工作頻率范圍內(nèi)，輸入輸出端的駐波比<1.3，隔離度<-24 dB，插入損耗≤0.3 dB，相位偏差小于5°(相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)相位)。

關(guān)鍵詞Wilkinson功率分配器；ADS仿真；優(yōu)化設(shè)計(jì)

Design and Implementation of 1∶4 Orthogonal Wilkinson Power Divider Based on Software ADS

WAN Jian-gang1,CHEN Peng1,GE Dai-he2,DENG Jing1

(1.AirForceEarlyWarningAcademy,WuhanHubei430019,China；2.Unit94878,PLA,WuhuAnhui241000,China)

AbstractA 1∶4 orthogonal Wilkinson power divider operating on S-band is introduced.The power dividerconsists of three 1∶2 Wilkinson power dividers in 2-stage cascade,and an orthogonal network is formed by adding aλ/4 microstrip line.The power gain balance is also designed.The circuit is optimized by the simulation software ADS.The results of simulation with S parameters,circuit layout and 1∶4 picture of Wilkinson divider are presented,which show that within the 2.7～2.9 GHz operating band,the input/output VSWR is less than 1.3,the isolation less than -24 dB,the insertion loss less than or equal to 0.3 dB,the phase offset less than 5°(relative to standard phase).

Key wordsWilkinson power divider;ADS simulation;optimization design

0引言

全固態(tài)雷達(dá)發(fā)射機(jī)無論是集中式高功率發(fā)射機(jī)，還是分布式有源相控陣發(fā)射機(jī)都離不開一種基本微波元件，即功率分配器/合成器。多個(gè)相同的單元放大器與功率分配器/合成器一起，構(gòu)成的均勻組合放大組件是實(shí)現(xiàn)固態(tài)發(fā)射機(jī)的基礎(chǔ)，均勻組合放大組件的顯著特點(diǎn)是單元放大器的功率增益等于其驅(qū)動(dòng)的放大器個(gè)數(shù)，此時(shí)產(chǎn)生所要求的額定輸出峰值功率所需要的單元放大器個(gè)數(shù)最少，效費(fèi)比最高[1-3]。通常情況下，微波功率晶體管功率增益可達(dá)到6～8 dB左右，考慮到功分器/合成器以及微帶電路的損耗，均勻組合放大組件通常為1推4的結(jié)構(gòu)，需要用到1∶4功分器。Wilkinson功分器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、插入損耗低、隔離度高、幅相一致性和可實(shí)現(xiàn)全端口匹配的優(yōu)點(diǎn)，常用于功率分配網(wǎng)絡(luò)中[4]。

本文基于ADS仿真軟件，設(shè)計(jì)了一種1∶4Wilkinson正交功率分配器，并應(yīng)用于某型雷達(dá)固態(tài)功率放大組件中，該功分器由3個(gè)1∶2 Wilkinson功率分配器二級(jí)級(jí)聯(lián)構(gòu)成，每個(gè)分配器輸出端口間加一個(gè)隔離電阻，以達(dá)到兩端口隔離的目的，二級(jí)分配器之間通過阻抗為50 Ω的微帶線連接，為減小輸入端反射系數(shù)，加入λ/4微帶傳輸線，形成正交網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)為保證整個(gè)功放組件的增益平坦度，對(duì)功率分配器進(jìn)行了增益均衡設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中采用微波仿真軟件ADS對(duì)電路進(jìn)行CAD輔助設(shè)計(jì)并給出了仿真結(jié)果和實(shí)物制作圖，測(cè)試結(jié)果表明，該功率分配器各性能參數(shù)良好。

11∶4 Wilkinson功分器設(shè)計(jì)與仿真

研究設(shè)計(jì)的雷達(dá)單個(gè)固態(tài)功率放大組件工作于S波段，由二級(jí)放大器構(gòu)成，采用1推4的結(jié)構(gòu)將35 W左右的輸入信號(hào)放大到700 W左右輸出，組件中采用的放大器為5個(gè)相同的平衡放大器，功率分配器為1∶4 Wilkinson功分器，組件原理圖如圖1所示。

圖1　功率放大組件原理

為了減小輸入端反射系數(shù)，在功分器的一個(gè)輸出端加入一段λ/4微帶傳輸線，構(gòu)成移相單元，使2個(gè)放大器的反射波在輸入端口上反相抵消，得到一個(gè)良好匹配的正交功率分配器，相應(yīng)的在合成器的另一個(gè)輸入端也接入一段λ/4微帶傳輸線，使合成器能夠良好匹配并達(dá)到同相功率合成的目的。

另外由于第1級(jí)放大器帶內(nèi)功率波動(dòng)對(duì)整個(gè)功放組件的帶內(nèi)功率平坦度有很大影響，為了控制組件第2級(jí)輸出功率大小和平坦度，前級(jí)放大器應(yīng)根據(jù)后級(jí)放大器的最佳輸入功率要求進(jìn)行均衡。因此功分器作用不僅是功率分配而且是功率增益均衡電路，由于晶體管功率增益隨頻率升高而降低，功率分配器正向傳輸還應(yīng)具有相反特性，即工作頻率越高，插入損耗越小。

1∶4正交功率分配器的設(shè)計(jì)目標(biāo)是：分配器輸出端幅度、相位一致性高、電路插損小、具有增益均衡功能[5，6]，同時(shí)特別要考慮電路布局，要求布局合理緊湊，尺寸符合實(shí)際，否則即使仿真效果再好，也只能停留在理想情況，不能應(yīng)用到實(shí)際電路中。其主要技術(shù)指標(biāo)為：工作頻率2.7～2.9 GHz，插損≤0.4 dB，輸入/輸出駐波比≤1.4，隔離度≤-24 dB，相位偏差≤±5° (相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)相位)。

考慮到功率分配器工作頻段、傳輸功率及設(shè)備尺寸，采用Rogers公司的RT/duroid 5880型介質(zhì)基板，介電常數(shù)εr=2.2，基片厚度H=0.787 mm，導(dǎo)體厚度T=0.01 mm，金屬電導(dǎo)率Cond=3×107，損耗正切角TanD=0.000 9。

首先設(shè)計(jì)第1級(jí)的1∶2 Wilkinson功分器結(jié)構(gòu)，為了實(shí)現(xiàn)電路增益均衡，以最高頻率2.9 GHz為設(shè)計(jì)頻率，因此電路在其他頻率由于失配傳輸性能會(huì)降低，從而實(shí)現(xiàn)增益均衡功能。借助ADS微波仿真軟件中計(jì)算微帶線參數(shù)的工具——LineCacl，快速得出第1級(jí)功分器輸入輸出臂特性阻抗為50 Ω時(shí)所對(duì)應(yīng)的微帶線寬度，以及2分支線特性阻抗為70.7，長(zhǎng)度為λ/4時(shí)對(duì)應(yīng)的微帶線寬度和長(zhǎng)度[7，8]。為節(jié)省空間，可以將2分支線設(shè)計(jì)成半圓形，為了與后級(jí)2個(gè)1∶2 Wilkinson功分器銜接緊湊，2個(gè)輸出臂長(zhǎng)度一致，且足夠長(zhǎng)，向兩側(cè)展開，并向內(nèi)彎曲，為后級(jí)功分器留出相應(yīng)空間，輸出臂在仿真原理圖布局如圖2所示。

圖2　第1級(jí)功分器輸出臂仿真原理

然后設(shè)計(jì)第2級(jí)功分器的結(jié)構(gòu)，第2級(jí)功分器由2個(gè)相同的1∶2 Wilkinson功分器構(gòu)成，分支線同樣設(shè)計(jì)成半圓形，兩輸出臂設(shè)計(jì)成弧形，自然展開，并以中心頻率2.8 GHz為依據(jù)設(shè)置移相單元，使兩輸出臂長(zhǎng)度相差λ/4，輸出相位相差90°，如果還是以2.9 GHz為依據(jù)設(shè)置，則在低工作頻點(diǎn)，相位偏差將變大，導(dǎo)致難以滿足技術(shù)指標(biāo)要求。為方便后續(xù)的功率放大器并列安裝，移相單元向內(nèi)彎曲，以便兩輸出臂端口在一條線上。

2仿真結(jié)果與分析

為了減小各路幅度、相位差異，應(yīng)避免各傳輸線的耦合，因此各傳輸線之間的距離要大于介質(zhì)基片厚度的3倍，最后以各輸出端口的插入損耗和相位差作為控件“Goal”優(yōu)化目標(biāo)，通過仿真優(yōu)化控件“Optim”微調(diào)微帶線的長(zhǎng)寬，得到其仿真結(jié)果如圖3、圖4、圖5和圖6所示。

圖3　功率傳輸相位特性

圖4　功率傳輸幅度特性

圖5　輸入輸出駐波比

圖6　輸出端口間隔離度

從仿真結(jié)果中可見，在整個(gè)頻帶內(nèi)此功率分配器的電性能良好，插入損耗小于0.2 dB，相位偏差<4°，輸入輸出端的駐波比<1.2，隔離度<-25 dB。

在完成仿真設(shè)計(jì)后，將電路版圖導(dǎo)出，得到如圖7所示的1∶4 Wilkinson正交功率分配器版圖，從圖中可以看出，原理圖中的各種傳輸線模型已經(jīng)轉(zhuǎn)化為版圖中的實(shí)際微帶線。

圖7　1∶4Wilkinson正交功率分配器版圖

生成功率分配器的版圖后，為觀察其性能，并能更好的接近實(shí)際，需要在版圖里再次進(jìn)行S參數(shù)的仿真，版圖仿真電路的各項(xiàng)性能指標(biāo)有一定的降低，主要是因?yàn)閷?shí)際電路中微帶線間存在互耦、串?dāng)_和輻射影響。

最后采用薄膜技術(shù)制造工藝制作電路，其實(shí)物圖如圖8所示。

圖8　1∶4 Wilkinson正交功率分配器實(shí)物圖

用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試得到測(cè)試結(jié)果如表1所示。從測(cè)試結(jié)果中看出，在2.7～2.9 GHz工作頻率范圍內(nèi)，插入損耗≤0.3 dB，輸入輸出端的駐波比<1.3，隔離度<-24 dB，相位偏差小于5°，完全滿足性能指標(biāo)要求。

表1　1∶4 Wilkinson正交功率分配器測(cè)試結(jié)果

3結(jié)束語

本文詳細(xì)介紹了工作于S波段的雷達(dá)固態(tài)功率放大組件中1∶4 Wilkinson正交功率分配器的設(shè)計(jì)流程和方法，充分利用ADS仿真軟件的各項(xiàng)功能對(duì)功率分配器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，省去了復(fù)雜的理論分析計(jì)算，大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過程，提高了工作效率，對(duì)射頻段小功率分配網(wǎng)絡(luò)的CAD設(shè)計(jì)具有很大的參考價(jià)值。

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萬建崗男，(1984—)，碩士。主要研究方向：雷達(dá)與電子對(duì)抗技術(shù)。

陳鵬男，(1981—)，碩士。主要研究方向：雷達(dá)與電子對(duì)抗技術(shù)。

作者簡(jiǎn)介

中圖分類號(hào)TN626

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1003-3106(2016)02-0080-03

收稿日期：2015-11-04

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.02.20

引用格式：萬建崗，陳鵬，葛代河，等.基于ADS的1∶4 Wilkinson正交功率分配器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].無線電工程,2016,46(2):80-82.