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.