三分鐘教會(huì)你：如何設(shè)計(jì)一個(gè)功分器

功分器在微波電路中用途非常廣泛，特別是在相控陣/固態(tài)功率合成如火如荼的今天，幾乎每個(gè)微波產(chǎn)品里都有它的身影。很多專業(yè)書(shū)里都有功分器的介紹，個(gè)人十分推崇由清華大學(xué)主編的《微帶電路》一書(shū)，讀此書(shū)可以感覺(jué)到老一輩微波電路的拓荒前輩們嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖黠L(fēng)，該書(shū)理論聯(lián)系實(shí)際，講解詳實(shí)但又淺顯易懂，對(duì)提升微波電路設(shè)計(jì)的感覺(jué)十分有用。

1、功分器的核心觀點(diǎn)

詳細(xì)的理論推導(dǎo)見(jiàn)《微帶電路》第6章，這里僅引用該書(shū)中的核心結(jié)論，也強(qiáng)烈建議認(rèn)真閱讀此章，里面的方法論是解決很多微波電路問(wèn)題的法寶。功分器可以根據(jù)對(duì)稱性拆分成奇模和偶模兩個(gè)兩端口網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行單獨(dú)分析，原理圖見(jiàn)圖1。

(a)N節(jié)寬頻段功分器

(b)偶模饋電等效電路

(c)奇模饋電等效電路

圖1、功分器理論分析圖示

核心結(jié)論為：

· 對(duì)于公共的1端口，奇模饋電對(duì)它不起作用，只要分析偶模電路即可，1口的回波和偶模電路的1口回波是相等的。由此功分器的傳輸線設(shè)計(jì)就變成了設(shè)計(jì)一個(gè)2*Zo到Zo歐的阻抗變換器。

· 偶模饋電電路也是功率合成器的工作原理，2口和3口輸入同相等幅電壓，可以無(wú)耗的傳輸?shù)?口。有人經(jīng)常會(huì)混淆說(shuō)S21=-3dB，根據(jù)無(wú)源電路的互易性S12=-3dB，這樣就沒(méi)有辦法實(shí)現(xiàn)功率翻番了。這種情況是發(fā)生在只有2口輸入信號(hào)，3口沒(méi)有信號(hào)輸入的情況下。

· 從奇模電路看，純粹的奇模饋電公共1口是沒(méi)有功率到達(dá)的。隔離電阻純粹起了一個(gè)衰減器/負(fù)載的作用，把奇模饋入的功率完全吸收掉，以此實(shí)現(xiàn)了2口和3口的低駐波，高隔離。

2、功分器的仿真設(shè)計(jì)

根據(jù)前面的理論分析結(jié)論，一個(gè)功分器設(shè)計(jì)實(shí)際上就變成了一個(gè)阻抗變換器的設(shè)計(jì)，阻抗變換器有非常多的實(shí)現(xiàn)方式：階梯阻抗變換器/變壓器/阻抗變換濾波器均可以實(shí)現(xiàn)。平常接觸最多的是階梯阻抗變換器，但實(shí)際上變壓器和阻抗變換濾波器結(jié)構(gòu)的功分器在很多特殊場(chǎng)景中有非常好的效果。

下面用一個(gè)2～18GHz的功分器介紹詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程。板材選用rogers5880 t=0.254mm。

1) 設(shè)計(jì)步驟

· 阻抗變換器階數(shù)和各節(jié)阻抗確認(rèn)

· 隔離電阻阻值確認(rèn)

· 單獨(dú)阻抗變換器電磁仿真

· T型節(jié)電磁仿真

· 整個(gè)功分器聯(lián)合電磁仿真

2) 阻抗變換器階數(shù)和參數(shù)獲取

獲取阻抗變換器階數(shù)和參數(shù)的小軟件非常多，這里通過(guò)在ADS中建模仿真獲取相應(yīng)參數(shù)，模型見(jiàn)圖2，其中有效介電常數(shù)可以通過(guò)傳輸線計(jì)算工具大概獲取，長(zhǎng)度初值為中心頻率的1/4波長(zhǎng)，其他阻抗值從高到低排列就好，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單優(yōu)化即可以獲取各級(jí)阻抗。

圖2、ADS中阻抗變換器模型及結(jié)果

通過(guò)傳輸線計(jì)算工具(ADS自帶或polar　si9000)可以計(jì)算出各個(gè)阻抗的實(shí)際寬度見(jiàn)表1.(板材rogers 5880 Er=2.2 t=0.254mm)

表1、各節(jié)阻抗和線寬對(duì)應(yīng)表

Z1Z2Z3Z4Z5Z6Z7Z8Zo

阻抗91.786.18073.867.962.658.254.650

線寬0.230.270.320.370.440.510.580.640.74

3) 隔離電阻仿真

根據(jù)第二步的結(jié)果，在ADS中建立完整的功分器理論模型，固定傳輸線參數(shù)，加入隔離電阻，任意給定一個(gè)初值，通過(guò)一次2端口駐波優(yōu)化就可以很方便的獲取隔離電阻的數(shù)值。該電路優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3、完整的功分器理論模型

4) 阻抗變換器和T型節(jié)的電磁仿真

根據(jù)上面計(jì)算出的參數(shù)就可以進(jìn)行電磁仿真了，個(gè)人習(xí)慣再sonnet中仿真。一個(gè)典型的功分器電路如圖4所示，直接仿真這個(gè)電路由于模型較大仿真時(shí)間較長(zhǎng)，這里我們將其分解成兩個(gè)部分單獨(dú)仿真優(yōu)化降低資源消耗，之后進(jìn)行一次聯(lián)合仿真驗(yàn)證。

圖4、典型功分器電路

分解的兩個(gè)電路為100到50歐的阻抗變換器和50到兩個(gè)100歐的T型結(jié)。

圖5、功分器的兩個(gè)分解電路

根據(jù)第2)步計(jì)算的阻抗變換器尺寸，建立圖5的阻抗變換器模型(為縮小長(zhǎng)度進(jìn)行了折彎處理，折彎切角可自行計(jì)算)。未進(jìn)行任何優(yōu)化得到的仿真結(jié)果見(jiàn)圖6，說(shuō)明ADS模型中計(jì)算的參數(shù)是非常準(zhǔn)確的。

T型節(jié)的仿真結(jié)果見(jiàn)圖6，由于我建模型時(shí)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在T型節(jié)處切了角，T型節(jié)一次仿真結(jié)果也比較好。實(shí)際自己設(shè)計(jì)時(shí)可能需要調(diào)節(jié)T型節(jié)切角大小，請(qǐng)自行感受。

圖6、阻抗變換器及T型節(jié)的仿真結(jié)果

5) 功分器模型整體仿真

功分器整體仿真就是將阻抗變換器和T型節(jié)組合成圖4的功分器整體進(jìn)行仿真，在這里順便介紹一下sonnet的netlist電路仿真。在sonnet中新建一個(gè)netlist電路如圖7所示，這種實(shí)際上是把第4)步的子電路聯(lián)合起來(lái)進(jìn)行的仿真。其他的大型電路均可通過(guò)此方式劃成小電路然后用netlist把各個(gè)子電路聯(lián)合起來(lái)，這樣可以加快仿真和優(yōu)化速度。Netlist電路仿真結(jié)果和全電路仿真結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖7，可以看出電路分割的正確性以及整個(gè)功分器電路仿真過(guò)程的準(zhǔn)確性。最后把電阻帶入后，整個(gè)功分器就基本仿真完成了。

圖7、netlist電路仿真及全電路仿真結(jié)果對(duì)比