2.4 GHz Wilkinson功率分配器設(shè)計

張 微

(山西工商學(xué)院 計算機信息工程學(xué)院,山西 太原 030006)

功分器是射頻微波系統(tǒng)中的基本電路,主要功能是將輸入信號功率分為相等或不等的幾路功率輸出,應(yīng)用于相控陣雷達、多路中繼通信機等射頻系統(tǒng)中。隨著近年來科技的發(fā)展,平面微帶功分器由于具有重量輕、體積小、性能優(yōu)的特點被廣泛使用。文章將從Wilkinson功分器的基本原理、Wilkinson功分器的仿真模型以及Wilkinson功分器的優(yōu)化設(shè)計等幾方面進行論述。

1 Wilkinson功分器的結(jié)構(gòu)

1.1 Wilkinson功分器的基本原理

Wilkinson功分器的輸出端具有良好的等相位和寬頻帶的特性，如圖1所示。Wilkinson功分器的輸入端口和輸出端口特征阻抗都是Z0,輸入端口和輸出端口之間的分支線特征阻抗為Z,長度為λ/4。

基本要求是當端口2和3接匹配負載時,在輸入端口無反射;相反,當端口1接匹配負載時,在端口2和3也無反射。

1.2 奇偶模分析法

奇偶分析法[1]是在輸出端口分別用對稱和反對稱源進行驅(qū)動,通過分析兩個電路的傳輸特性,并加以綜合進而得到原電路的傳輸特性。用特征阻抗Z0歸一化所有的阻抗,并在輸出端口接電壓源，如圖2所示。

圖1 Wilkinson功分器Fig.1 Wilkinson power divider

圖2 對稱形式下的Wilkinson功率分配電路Fig.2 Wilkinson power distribution circuit in symmetricform

圖2輸入端口,兩個歸一化源電阻值是2,并聯(lián)后歸一化電阻值為1,傳輸線有歸一化特征阻抗Z(對于二等分功分器Z=2),并聯(lián)電阻有歸一化值r(對于二等分功分器r=2)。

圖2所示電路激勵的兩個分離模式:

圖3 偶模激勵Fig.3 Even mode excitation

偶模:Vg2=Vg3=2V0

(1)

奇模:Vg2=-Vg3=2V0

(2)

V(x)=V+(e-jβx+Γejβx)

(3)

可得

(4)

(5)

處在端口1,向歸一化值為2的電阻看,可得反射系數(shù):

圖4 奇模激勵Fig.4 Odd mode excitation

(6)

那么可得

(7)

1.3 Wilkinson功分器的性能指標

Wilkinson功分器要求工作2.4 GHz,回波損耗S11、S22、S33小于-15 dB,插入損耗S21、S31大于-4 dB,隔離度S23小于-20 dB。

2 Wilkinson功分器的參數(shù)設(shè)置

在原理圖中,首先設(shè)置微帶線的參數(shù)如下:

H=0.8 mm,表示微帶線基板厚度為0.8 mm;Er=4.3,表示微帶線的相對介電常數(shù)為4.3;Mur=1,表示微帶線相對磁導(dǎo)率為1;Cond=5.88×107,表示微帶線電導(dǎo)率為5.88×107;Hu=1.0×1033mm,表示微帶線封裝高度為1.0×1033mm;T=0.03 mm,表示微帶線金屬層厚度為0.03 mm;TanD=1×10-4,表示微帶線損耗角正切為1×10-4;Rough=0 mm,表示微帶線表面粗糙度為0 mm。

圖5 計算微帶線寬度WFig.5 Calculate width of microstripline

其次,在仿真原理圖中選擇[Tools]→[LineCalc]→[Start LineCalc]的命令,彈出“LineCalc”對話框如圖5,然后設(shè)置功分器的工作頻率2.4 GHz,相位延遲為90 °,當輸入特征阻抗Z0為50 Ω,計算出微帶線的寬度w1為1.52 mm。當設(shè)置輸入特征阻抗Z0為70.7 Ω,計算出微帶線的寬度w2為0.79 mm。

3 Wilkinson功分器的設(shè)計步驟

3.1 功分器的輸入端口設(shè)計

在ADS原理圖中添加一個MTEE元件和一個MLIN元件,連接如圖6所示。

3.2 功分器的分支電路設(shè)計

在ADS原理圖中添加三個MLIN元件,兩個Mcurve元件和一個MTEE元件,作為功分器的一路分支,連接如圖7所示。其中支路中心的MLIN長度為變量11 mm,11的初始值為28。

圖6 功分器輸入端口Fig.6 Power divider input port

圖7 功分器分支電路Fig.7 Power divider branch circuit

3.3 功分器的輸出支路設(shè)計

ADS原理圖中添加三個MLIN元件和兩個Mcurve元件,作為功分器的一條輸出支路,連接如圖8所示。

根據(jù)功分器的中線對稱結(jié)構(gòu),完成電路原理圖的搭建。

4 Wilkinson功分器的優(yōu)化結(jié)果

在ADS原理圖設(shè)置四個優(yōu)化目標,前面兩個對回波損耗S11和S22進行優(yōu)化,第三個對插入損耗S21進行優(yōu)化,第四個隊隔離度S23進行優(yōu)化如圖9所示,最終完成仿真原理圖[2]。

圖9 功分器仿真原理圖Fig.9 Power divider simulation schematic

從仿真結(jié)果圖10可以看出,回波損耗S(1,1)為-15.02 dB,S(2,2)為-20.23 dB,滿足小于-15 dB的要求;插入損耗S(2,1)為-3.25 dB,滿足大于-4 dB的要求,隔離度S(2,3)為-21.64 dB,滿足小于-20 dB的設(shè)計要求。

圖10 S(1,1),S(2,2),S(2,1),S(2,3)輸出波形Fig.10 S(1,1),S(2,2),S(2,1),S(2,3) output waveform

優(yōu)化完成后,得到參數(shù)w1為1.52 mm,w2為0.51 mm以及l(fā)1為27.78 mm。

5 Wilkinson功分器的后仿分析

完成功分器原理圖后,生成功分器的版圖如圖11所示,之后再對版圖進行仿真驗證。

圖11 功分器版圖Fig.11 Power divider layout

仿真結(jié)束后顯示如圖12所示,回波損耗S(1,1)為-14.01dB,S(2,2)為-16.92 dB,滿足小于-15 dB的要求;插入損耗S(2,1)為-3.34 dB,滿足大于-4 dB的要求,隔離度S(2,3)為-24.50 dB,滿足小于-20 dB的設(shè)計要求。

圖10和圖12進行對比,發(fā)現(xiàn)版圖仿真結(jié)果優(yōu)于原理圖仿真結(jié)果,下一步的工作就是找到版圖仿真造成指標參數(shù)變化的原因,然后再對原理圖進行相應(yīng)的修改完善[3],多次反復(fù)優(yōu)化,直至達到預(yù)期設(shè)計目標為止。

圖12 版圖仿真結(jié)果Fig.12 Layout simulation results