【doc】宽带双节Wilkinson功率分配器的研制

【doc】宽带双节Wilkinson功率分配器的研制 宽带双节Wilkinson功率分配器的研制 叫确m,ELEc洲c电 M 子 EAsEN 技 T 术 TEcHN.Y 第34卷第2期 2011年2月 宽带双节Wilkinson功率分配器的研制 吕高庆冯皓方建洪 (中航雷达与电子设备研究院无锡214063) 摘要:重点讨论了采用双节Wilkinson结构的宽带等功率分配器.经与单节二等分功率分配器在频率特性上的比 较,确定了在宽带中采用双节二等分功率分配器的必要性.在介绍双节二等分功率分配器工作原理的基础上,使用 ADS软件进行设计,仿真和优化了功率分配器两臂微带线阻抗值和两个隔离电阻值.制作了基于介电常数为2.65 的聚四氟乙烯基板和介电常数为4.5的FR一4基板的两种功率分配器实例,经矢量网络分析仪对加T的两种功率分配 器进行s参数实测,获得了与仿真值吻合较好的预期结果. 关键词:威尔金森式;宽带;功率分配器 中图分类号:TN626文献标识码:A DesigningofbroadbandWilkinsonpowerdivider IvGaoqingFengHaoFangJianhong (InstituteofRadarandAvionicsofAVIC.WMXi2l4063) Abstract:FocusesonthestructurewithDoublebroadbandWilkinsonpowerdivider.Bisectio nwithasinglepower divideronthefrequencycharacteristicswerecomparedtodeterminetheuseofdoubleinthebr oadbandpowersplitter necessity.Firstintroducedtheprincipleofdoublepowersplitter,andthenusetheADSsoftwar edesign,simulationand optimizationofthepowerdividerarmsimpedancemicrostriplineandtwoisolationresistanc e.Thetwoexamplesofthe powerdividerwereproducedbasedonPTFEsubstrate(,一 2.65)andtheFR4substrate(,一4.5).Thetwopower dividerweremeasuredbyvectornetworkanalyzer,whichingoodagreementwiththeexpecte dresults. Keywords:wilkinson;broadband;powerdivider 0引言 随着微波功率晶体管技术的改进以及新技术在工程 领域的逐步应用,单个功率管的输出功率不断提高],但 在一些应用领域内,尚不能满足整机高功率的使用要 求.为了获得比单个晶体管输出能力更大的功率,就需 要功率合成技术将较小功率组合成更大输出功率.系统 一 般是将推动级的功率先进行功率分配,得到满足幅度和 相位要求的等功率流,再经过单管放大,最后将分别得到 的功率合成起来得到满足要求的输m功率.所以功率分 配器/合成器的性能好坏直接影响到整个系统能量的分 配,合成效率.由网络理论可知,凡是满足互易定理的 功率分配器都可以反过来作为多路微波功率合成器使用. 功率分配器与其他微带电路元件一样,有一定的频率特 性.对于宽带电路,应该在全频带满足低插入损耗,低电压驻 波系数,高隔离度等条件.为达到功分器的上述要求,本文 对采用了Wilkinson结构的双节功分器进行了研究,采用了双 节阻抗变换的连接方式来实现宽频带和低损耗的要求,并设 计制作了采用2种介电常数基板的微带线功合器实例. ? 1O2? 1宽带功率分配器的设计 1.1宽带等功分器设计原理 单节二等分功率分配器输入和输出特性阻抗都是, 输入和输出口间的分支线特性阻抗为.,线长为1/4波 长嘲.其频带特性如图1所示. 3O 鲁 窳 褪2O 1o 勰 'JR 一 \ '肌 图1单节二等分功率分配器的频带特性 吕高庆等:宽带双节Wilkinson功率分配器的研制第2期 由图1可看出各端口的性能指标.当频带边缘频率之 比,./_厂】一1.44(相对带宽为36)时,输入驻波比P< 1.22,能基本满足输出两端口隔离度大于20dB的指标要 求.但是当,2/,一2(相对带宽为66.7)时,各指标均恶 化,隔离度只有14.7dB,输入驻波比也达到1.42.为了进 一 步加宽工作频带,可以用多节的宽带功率分配器,即和 其他一些宽带器件一样,增加节数,即增加2/4线段和相应 的隔离电阻R的数目]. 作为功分器的多节Wilkinson耦合器是由一些1/4波 长线段组成,所用的节数越多,得到的带宽越宽,隔离度也 越大].由图2可以看出,分析结果表明即使节数增加不 多,各指标也可以有较大的改善,工作频带有较大的展宽. 例如对于双节的二等分功率分配器,当斯,/厂1—2时,驻 波比P<l_11,隔离度大于27dB. 0:0.200.250.30:0.35 I/2 图2双节二等分功率分配器的频带特性 当信号源内阻和负载阻抗均为时,可以利用等效如图 3所示的电路原理图来确定隔离电阻R(一1,2,3,…,m). zz3z1Z 当m R一 图3多节功率分配器电路 2时,隔离电阻按照下列公式求得 2Z1Z2 j(zz+z)(Zz—Z)ctg R一旁 一 号[一1] (1) 当m?3时,隔离电阻的计算相当烦琐,这里不再一一 列举. 本课题要求如此下: 工作频率:(f0—100),(+100)MHz 相对带宽:50% 插损:d0.3dB 输出端口的隔离:>20dB 驻波比:<1.2 带内幅度平坦性:<?0.1dB 使用单节的Wilkinson功分器驻波比和隔离度均达不 到要求,使用双节的二等分功率分配器时能够满足要求, 所以选择此种结构形式. 1.2功率分配器原理图仿真及优化 本文采用了ADS软件对双节Wilkinson式功分器进 行设计,仿真以及优化,获得了参数性能较好的尺寸结 构].图4为ADS生成的Layout版图. 图4Wilkinson式功分器Layout版图 2 分别采用了基于介电常数2.65的聚四氟乙烯微波基 板和介电常数为约4.5的FR一4基板进行了设计,板材均 采用2mm厚度.采用两种基板制作的结构形式是相同 的,仿真结果也基本相同.介电常数为4.5的FR一4基板 的功分器尺寸相对较小. 如图5所示.为2个输出臂的S参数仿真结果.由图 可以看出,在频带宽度[_厂0—100MHz,fo+100MHz]内 两路幅度完全相同,插入损耗小于0.085dB. - 3.065 - 3070 - 3.075 - 3.080 - 3085 }100MHz freq/MI-Iz 图5S…S.传输特性仿真结果 fo+lOOMI-Iz ? 1O3? ???? ?p,键丑燃 第34卷电子测量技术 如图6所示.为1端口,2端口,3端口的驻波仿真结 果.3个端口的驻波都小于1.1. freq/MHz 图61,2,3端口的驻波仿真结果 如图7所示.为2,3端口的隔离度仿真结果.可以看 出隔离度大于28dB. f0—100MHz freq/MHz 图72,3端口的隔离度仿真结果 2试验及试验结果分析 根据ADS的优化结果,分别采用了介电常数为2.65 的聚四氟乙烯基板和介电常数为4.5的FR一4基板进行了 功率分配器成板制作,并利用矢量网络分析仪对两块功率 分配器进行了测试"]. 2.1聚四氟乙烯纤维基板的功分器测试 图8(a),(b)为聚四氟乙烯纤维基板功分器两个输出 臂的传输特性.插损均小于0.2dB.两输出臂幅度差值 小于0.1dBo与仿真结果吻合. (a)s传辎特性 fb)S传输特性 图8聚四氟乙烯纤维基板功分器 两个输出臂的传输特性 图9为两输出端口的隔离度.实测结果大于23dB. 图92,3端口隔离度S. 自图1O可以看出1端口的反射在一24dB以下. 图101端口的反射特性S 2.2FR-4板的功分器测试 图l1(a),(b)为FR一4基板功分器两个输出臂的S参 数.sS.均大于一3.45dB.插损小于0.45dB.两输出 臂幅度差值小于0.1dB. 图12所示.为2,3端口的隔离度.可以看出隔离度 大于25dB. 由图13可以看出1端口的反射在一23dB以下. 枷枷枷 吕高庆等:宽带双节Wilkinson功率分配器的研制第2期 (a)s传输特性 (b)s传输特性 图11F4基板功分器两个输出臂的S参数 图122,3端口的隔离度S.. 图131端口的反射特性S" 2.3两种板材制作出的功分器的效果比较 通过对以上两块板子的测试结果可以看出,采用聚四 氟乙烯基板要比采用FR一4基板制作出来的功率分配器端 口驻波要好,插入损耗也相对小了0.25dB.但是如果考 虑到体积,FR一4基板要比采用聚四氟乙烯基板小.需要注 意的是,一般的FR一4板介电常数不是精确的4.5,在4.4, 4.6,所以实际制作的功分器就会与仿真有一定差距. 3结论 本文对单节和双节威尔金森式功率分配器的频带特 性进行了分析,确定双节威尔金森式功率分配器隔离电阻 值的大小.通过ADS进行了仿真,得到了S参数的仿真结 果;最后利用矢量网络分析仪对分别采用聚四氟乙烯基板 和采用FR一4基板制作出来的功率分配器测试. 从性能上讲,采用聚四氟乙烯基板要比采用FR一4基 板制作出来的功率分配器效果好.端口驻波要好,插人损 耗也相对小了0.25dB.但从结构上讲,FR一4基板要比采 用聚四氟乙烯基板小.所以在以后制作功率分配器时,就 需要综合考虑体积和插入损耗等来制作适合的功率分 配器. [13 E23 [3] E43 ES3 [-61 E73 E83 E93 ElO3 [n] [12] [13] 参考文献 朱洪伟,黄宁,诸建平.宽带固态功率放大器的设计及 实现E33.电子测量与仪器,2009(S1):184,186. 曾文,王宏,徐皑冬.超宽带技术在工业通信中的应用 研究口].仪器仪表,2006(S1):648—650. 陈凯.一种宽频带3dB微带功分器的设计EJ3.科技资 讯,2009(12):20,21. 赵世巍,唐宗熙,戴伟.一种多层HybridRing结构功 分器/合路器的设计[J].电子测量与仪器,2010, 24(4):402-405. 赵培杰,吕善伟.宽频带任意比功分器的微带线实现 [J].电子测量技术,2006,29(3):142143 赵兰,廖斌.宽带Wilkinson功分器的研制EJ1.材料 导报,2007(S2):195—197. 程敏锋,刘学观.微带型Wilkinson功分器设计与实 现[J].现代电子技术,2006(2O):25—26. 焦永昌,廖小平.微波功分器的模拟与设计[J].传感 技术,2008(3):424—427. 钟福如,田敏,李栓明,等.应用ADS进行微带功分器 的仿真设计E31.硅谷,2008(20):136. 曹芸,张海林.选择矢量网络分析仪时需注意的问题 E33.国外电子测量技术,2005,24(10):34—36. 李卓明.宽带大动态范围自动电平控制技术研究[J]. 电子测量技术,2010,33(5):7-9. 朱伟,韩晓东.矢量网络分析仪中的电子校准技术 EJ3.国外电子测量技术,2010,29(8):20—22. 张春熹,张晓青,胡姝玲,等.可编程微波光纤延迟线 ? ]05? 第34卷电子测量技术 时延特性分析与测量[J].仪器仪表,2009,30 (11):2237-2242. 作者简介 吕高庆.男,1983年9月出生,工程师,主要从事固态 安捷伦科技公司推出首 发射机设计工作. E—mail:lvgaoqin8:@163.corn 冯皓,男,工程师,主要从事固态发射机设计工作. 方建洪.男,高级工程师,主要从事固态发射机设计 工作. 个3GPPLTE-Advanced 设计与测试解决 安捷伦科技公司(NYSE:A)日前宣布推出业界首个 符合3GPP第1O版的商用4G系统设计程序库—— W1918LTE—Advanced程序库.新的系统设计程序库将作 为安捷伦SystemVue2011.03版本软件的选件提供.对 于努力实现4G网络1Gbps峰值下载速度的无线系统架 构师和芯片制造商来说,AgilentW1918LTE—Advanced程 序库可以用于早期的物理层(PHY)算法和系统性能验证. 在智能手机用户数量激增的推动下,无线运营商加快 了3GPP第8版(LTE或3.9G)网络的部署速度,以便兑 现将峰值用户容量提升一个数量级并改善用户体验的承 诺.LTE—Advanced等4G网络能够增加容量,但此类网络 部署的复杂程度较高.安捷伦全新的W1918LTE— Advanced基带验证程序库可以帮助系统架构师,基带算法 开发人员和元器件制造商实现预期性能: o不断演进的4G标准前进工作类型等知识产权的 使用权 .出色的射频和MIMO通道建模保真度 .多语言物理层建模与宽带测试设备的集成 .高度整合的射频和基带设计 安捷伦电子测量事业部总裁RonNersesian表示:"作 为全球领先的LTE解决方案提供商,安捷伦始终致力于 为工程师提供开发下一代LTE—Advanced移动通信器件所 需的资源.几乎与新标准同时发布的LTE—Advanced程序 库是证明安捷伦领先地位的一个实例.随着LTE— Advanced标准的演进以及基础设施的部署,我们将会继续 努力,以确保客户始终享用最前沿的技术" W1918LTE—Advanced程序库的主要特性包括: o支持新的Rell0特性,例如连续和非连续载波聚 合(CA)以及下行链路和上行链路增强 .支持高达8×8MIMO的闭路编码吞吐量仿真, 且具有衰落和主动HARQ反馈功能 .支持以仿真为基础,具有标准衰落模型的MIMO 空中测试(借助可选的w1715MIMO通道程序 库) o覆盖3GPP第8版支持 .与安捷伦信号发生器/信号分析仪系列产品结 合,可以对算法和硬件进行早期的研发验证 如需下载最新的SystemVueLTE—Advanced程序库 应用指南,查看演示视频或参加早期试用,请访问 www.agilent.com/find/eesof-systemvue—lte—advanced.